生物打印新進(jìn)展,！賓夕法尼亞州立大學(xué)將生物打印組織的速度提高了10倍

2024年11月,，南極熊獲悉,，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種新型的生物3D打印技術(shù),，該技術(shù)利用球狀體（細(xì)胞簇）來制造復(fù)雜的組織,。這項(xiàng)新技術(shù)提高了組織制造的精度和可擴(kuò)展性,，生產(chǎn)組織的速度比現(xiàn)有方法快 10 倍并擴(kuò)大了開發(fā)功能性組織和器官以及再生醫(yī)學(xué)進(jìn)展的機(jī)會(huì),。研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Nature communications上，題目為High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication（球體的高通量生物打�,。�,。該研究得到了美國國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（NIBIB）及美國國家牙科和顱面研究所（NIDCR）的資金支持，進(jìn)一步證明了其在科學(xué)和技術(shù)上的重要性,。



研究背景
隨著再生醫(yī)學(xué)和組織工程學(xué)的發(fā)展,，3D生物打印技術(shù)作為一種創(chuàng)新的制造方法，為構(gòu)建功能性組織和器官提供了新的可能性,。然而,，傳統(tǒng)的生物打印方法在細(xì)胞密度、制造速度以及對脆弱細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)方面存在諸多限制,。這些挑戰(zhàn)不僅影響了人造組織的功能性,，也制約了其臨床應(yīng)用的可能性。為了克服這些問題,，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Ibrahim T. Ozbolat教授的帶領(lǐng)下,，開發(fā)了一種新型的高通量集成組織制造系統(tǒng)（HITS-Bio），旨在提高生物打印的速度,、精度和可擴(kuò)展性,。



研究內(nèi)容
Ozbolat教授及其團(tuán)隊(duì)提出的新技術(shù)——HITS-Bio，利用球狀體（即細(xì)胞簇）作為構(gòu)建單元來制造復(fù)雜的3D組織,。球狀體是一種三維細(xì)胞集合體,，其細(xì)胞密度與人體組織相似，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度組織生物打印的理想材料,。盡管球狀體提供了更好的細(xì)胞密度,，但之前的生物打印方法由于缺乏高效的可擴(kuò)展技術(shù)和精確控制能力,，仍然難以滿足實(shí)際需求。為了解決這些問題,，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字控制噴嘴陣列,，該陣列可以在三維空間中移動(dòng)，并允許同時(shí)操縱多個(gè)球狀體,。


△HITS-Bio流程示意圖

具體而言,，他們將噴嘴排列成四乘四的陣列，能夠一次性拾取16個(gè)球狀體并迅速準(zhǔn)確地放置在生物墨水基底上,。此外，噴嘴陣列還可以根據(jù)定制模式拾取球狀體,，從而創(chuàng)建出具有特定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜組織,。


△HITS-Bio性能分析

這種新方法相較于傳統(tǒng)逐個(gè)處理球狀體的技術(shù)，大大提高了工作效率,，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有技術(shù)快10倍的組織制造速度,，同時(shí)保持了90%以上的細(xì)胞存活率。正如Ozbolat教授所言：“這項(xiàng)技術(shù)是快速生物打印球狀體的重大進(jìn)步,，它能夠以高通量方式以比現(xiàn)有技術(shù)更快的速度打印組織,，并且細(xì)胞存活率高�,！�

研究結(jié)果


△1立方厘米的軟骨組織被生物打印出576個(gè)球體

為了驗(yàn)證HITS-Bio平臺(tái)的有效性,，研究人員進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試。首先,，他們成功地在一個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出了一個(gè)一立方厘米大小的軟骨組織結(jié)構(gòu),，其中包含了大約600個(gè)由軟骨細(xì)胞組成的球狀體。這個(gè)過程用時(shí)不到40分鐘,，效率極高,，遠(yuǎn)超現(xiàn)有生物打印技術(shù)的能力。

更重要的是,，研究小組展示了該技術(shù)在大鼠模型中的手術(shù)環(huán)境中按需組織修復(fù)的應(yīng)用潛力,。他們直接在顱骨傷口部位打印了球狀體，并使用microRNA技術(shù)對球狀體進(jìn)行編程,，使其轉(zhuǎn)化為骨骼,。結(jié)果顯示，在三周后傷口愈合率達(dá)到91%,，六周后達(dá)到了96%,。這表明HITS-Bio技術(shù)不僅加速了骨骼修復(fù)速度，還顯著提高了修復(fù)效果,。

此外,，該技術(shù)還展示了其他潛在的應(yīng)用前景,。例如，通過增加噴嘴的數(shù)量,，可以生產(chǎn)更大,、更復(fù)雜的組織，如肝臟等器官組織,。這對于推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要,，因?yàn)樗�意味著未來可能�?chuàng)造出更多可用于臨床或移植的人造器官。值得注意的是,，該研究中展示的兩種應(yīng)用不存在血管化的問題,，因?yàn)檐浌潜旧頉]有血管，在外科手術(shù)中,，周圍的血管可以幫助血液流向生物打印的骨組織,。

展望
展望未來，HITS-Bio技術(shù)的出現(xiàn)為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療帶來了新的希望,。研究團(tuán)隊(duì)正繼續(xù)探索如何將血管融入人造組織中,，這是制造更多功能性和臨床可用組織的關(guān)鍵步驟之一。Ozbolat教授指出：“我們正在努力開發(fā)一種可以支持大規(guī)模生產(chǎn)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)建的方法,，以便最終能夠生產(chǎn)出可供移植的器官,。”這一目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn),，將極大地改變目前依賴于供體器官移植的局面,，為患者提供更多的治療選擇。

綜上所述,，HITS-Bio技術(shù)代表著生物打印領(lǐng)域的一個(gè)重大飛躍,，它不僅提高了組織制造的速度和質(zhì)量，還為未來的醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用開辟了新的道路,。隨著更多相關(guān)研究的展開和技術(shù)的進(jìn)步,，相信這一領(lǐng)域的創(chuàng)新將會(huì)不斷涌現(xiàn)，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn),。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54504-7