生物打印新進展！賓夕法尼亞州立大學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的研究者們開發(fā)了一種新型的生物3D打印技術,，該技術利用球狀體（細胞簇）來制造復雜的組織,。這項新技術提高了組織制造的精度和可擴展性，生產(chǎn)組織的速度比現(xiàn)有方法快 10 倍并擴大了開發(fā)功能性組織和器官以及再生醫(yī)學進展的機會,。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印）,。該研究得到了美國國家生物醫(yī)學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,，進一步證明了其在科學和技術上的重要性。



研究背景
隨著再生醫(yī)學和組織工程學的發(fā)展,，3D生物打印技術作為一種創(chuàng)新的制造方法,，為構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胞密度、制造速度以及對脆弱細胞結(jié)構的保護方面存在諸多限制。這些挑戰(zhàn)不僅影響了人造組織的功能性,，也制約了其臨床應用的可能性,。為了克服這些問題，賓夕法尼亞州立大學的研究團隊在Ibrahim T. Ozbolat教授的帶領下,，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、精度和可擴展性,。



研究內(nèi)容
Ozbolat教授及其團隊提出的新技術——HITS-Bio,，利用球狀體（即細胞簇）作為構建單元來制造復雜的3D組織。球狀體是一種三維細胞集合體,，其細胞密度與人體組織相似,，因此被認為是實現(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胞密度,，但之前的生物打印方法由于缺乏高效的可擴展技術和精確控制能力,，仍然難以滿足實際需求。為了解決這些問題,，研究團隊設計了一個數(shù)字控制噴嘴陣列,，該陣列可以在三維空間中移動，并允許同時操縱多個球狀體,。


△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個球狀體并迅速準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)構的復雜組織,。


△HITS-Bio性能分析

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

研究結(jié)果


△1立方厘米的軟骨組織被生物打印出576個球體

為了驗證HITS-Bio平臺的有效性,，研究人員進行了多項實驗測試,。首先，他們成功地在一個小時內(nèi)制造出了一個一立方厘米大小的軟骨組織結(jié)構,，其中包含了大約600個由軟骨細胞組成的球狀體,。這個過程用時不到40分鐘,，效率極高，遠超現(xiàn)有生物打印技術的能力,。

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

此外，該技術還展示了其他潛在的應用前景,。例如,，通過增加噴嘴的數(shù)量，可以生產(chǎn)更大,、更復雜的組織,，如肝臟等器官組織。這對于推動再生醫(yī)學的發(fā)展至關重要,，因為它意味著未來可能創(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用不存在血管化的問題,，因為軟骨本身沒有血管,，在外科手術中，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技術的出現(xiàn)為再生醫(yī)學和個性化醫(yī)療帶來了新的希望。研究團隊正繼續(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)和復雜結(jié)構構建的方法，以便最終能夠生產(chǎn)出可供移植的器官,�,！边@一目標一旦實現(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技術代表著生物打印領域的一個重大飛躍,，它不僅提高了組織制造的速度和質(zhì)量,，還為未來的醫(yī)學研究和臨床應用開辟了新的道路,。隨著更多相關研究的展開和技術的進步，相信這一領域的創(chuàng)新將會不斷涌現(xiàn),，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻,。

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