3D打印定制胚胎培養(yǎng)皿為體外受精帶來新希望

2024年9月13日，南極熊獲悉，研究人員正在使用3D打印技術(shù)制作專門的模具，用于制造有助于體外受精（IVF）過程中胚胎生長的特殊培養(yǎng)皿。這些被稱為“井中之井”（Well-Of-Well, WOW）的培養(yǎng)皿包含不同形狀的小井，能夠更好地支持胚胎發(fā)育，從而提高IVF成功的可能性。


△ 胚胎培養(yǎng)的選擇：(a) 在WOW培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的胚胎；(b) 在標(biāo)準(zhǔn)IVF培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的胚胎。

來自范德比爾特大學(xué)和田納西生育研究所的研究團隊利用B9Creations公司的3D打印機設(shè)計出了一種模具，能夠以更便宜且更快捷的方式制造出WOW培養(yǎng)皿。在對小鼠胚胎進(jìn)行的試驗中，半球形井的培養(yǎng)皿比傳統(tǒng)IVF培養(yǎng)皿中的胚胎發(fā)育得更好。

IVF是一項精細(xì)的過程，人類的成功率仍低于33%。研究人員和醫(yī)生不斷尋找新的技術(shù)來改進(jìn)胚胎培養(yǎng)階段，即在植入前在體外生長和培育胚胎的階段。在這個領(lǐng)域內(nèi)，WOW培養(yǎng)系統(tǒng)是一種更有前景的創(chuàng)新，為在胚胎早期發(fā)育階段提供了一個全新的個體化環(huán)境。

傳統(tǒng)的胚胎培養(yǎng)皿通常使多個胚胎共享同一滴營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)液，而WOW系統(tǒng)則為每個胚胎提供了一個單獨的“微井”。這些微井將胚胎分開，但仍能讓它們接觸到一個較大的“宏井”，其中含有共享的培養(yǎng)液和油。這種設(shè)置有助于胚胎在較少干擾的情況下獲得所需的營養(yǎng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，微井的形狀和大小對胚胎的發(fā)育有著重要影響，而在WOW系統(tǒng)中定制微井形狀可能會進(jìn)一步改善胚胎健康。


△ 制作WOW培養(yǎng)皿的過程。

在發(fā)表于《自然》雜志的論文中，研究團隊解釋了3D打印技術(shù)在創(chuàng)新中的關(guān)鍵作用，整體制作流程為：
● 使用B9Creations的數(shù)字光投影（DLP）3D打印機來制造模具；
● 向模具中倒入一種叫做聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性材料；
● 當(dāng)PDMS在3D打印模具中硬化后，將硬化件取出，取出的硬化件就是WOW插件，這些插件上有供胚胎使用的微小井或口袋；
● 將WOW插件安裝到常規(guī)的IVF培養(yǎng)皿中以完成整個裝置。


△ OCT 微井圖像的疊加包括 (a) 半球形微孔、(b) 大截錐形微井、(c) 金字塔形v和 (d) 小截錐形微井。

研究中的一項令人興奮的發(fā)現(xiàn)是微井的形狀對胚胎發(fā)育起著重要作用。研究人員測試了多種井形，包括半球形、金字塔形和截頭圓錐形的設(shè)計，并發(fā)現(xiàn)半球形微井中的胚胎顯示出最高質(zhì)量的結(jié)果。半球形結(jié)構(gòu)更接近胚胎的自然生長環(huán)境，從而給予胚胎更好的生存機會。這些結(jié)果通過觀察胚胎發(fā)育成為囊胚的程度來衡量，是預(yù)測成功妊娠幾率的重要階段。這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了更多關(guān)于優(yōu)化微井設(shè)計以在人類IVF治療中取得更好效果的研究發(fā)展。


△ 半球形 (H)、錐體 (P) 和截錐形 (TC) 微井形狀的 WOW 培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的胚胎的囊胚率與 IVF 培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的胚胎的囊胚率 (I) 對比。

3D打印技術(shù)的靈活性使快速測試不同的微井形狀成為可能。傳統(tǒng)的WOW培養(yǎng)皿是通過諸如聚苯乙烯模塑注射的方法生產(chǎn)的，這種方式成本高昂且難以定制，因為每個模具都針對特定的形狀，很難改變或測試新設(shè)計。通過使用3D打印，研究人員可以快速且低成本地迭代設(shè)計，每個模具的打印成本僅為60美元，每個插件的成本僅需77美分。這種低成本的過程可以使WOW系統(tǒng)更容易被全球的生育診所接受。

研究人員不僅證明了WOW培養(yǎng)皿有效，還將其與傳統(tǒng)方法制成的培養(yǎng)皿進(jìn)行了比較。研究顯示，帶有半球形微井的3D打印WOW培養(yǎng)皿在胚胎質(zhì)量方面優(yōu)于市場上可購買的替代品。此外，WOW系統(tǒng)的另一個突出特點是可重復(fù)使用。用于制造WOW插件的3D打印模具經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以在不損失質(zhì)量的情況下多次重復(fù)使用。這降低了制作這些培養(yǎng)皿的成本，使得那些尋求經(jīng)濟實惠選擇的生育診所更加青睞于此。

醫(yī)療應(yīng)用一直是3D打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。從定制植入物到手術(shù)工具，3D打印已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療設(shè)備。現(xiàn)在，借助WOW系統(tǒng)，3D打印技術(shù)正進(jìn)入IVF治療領(lǐng)域，再次證明了這項技術(shù)的價值。