美國LANL研究人員開發(fā)新型生物反應(yīng)器以增強(qiáng)干細(xì)胞生長

導(dǎo)讀：3D打印使研究人員能夠快速創(chuàng)建支持更好的細(xì)胞生長和相互作用的緊湊,、高效的設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)了生物反應(yīng)器的發(fā)展,。

△這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上,。該緊湊型設(shè)備旨在克服傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)模型的局限性,，并能夠模擬真實(shí)組織環(huán)境的復(fù)雜性，從而使得細(xì)胞分化研究更加實(shí)用和精確（傳送門）

2025年4月1日,，南極熊獲悉,，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的研究人員開發(fā)了一種3D打印灌注生物反應(yīng)器 (3D-PBR)，旨在改善人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC) 的生長和分化方式,。

在新墨西哥大學(xué)（UNM）的幫助下,，這款設(shè)備還支持與血管細(xì)胞的共培養(yǎng)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,，研究人員采用了Formlabs 3B低力立體光刻（SLA）3D打印機(jī)進(jìn)行制作,。設(shè)備由生物相容性的樹脂制成，該樹脂由甲基丙烯酸酯單體和聚氨酯二甲基丙烯酸酯組成,。打印完成后,，研究人員使用異丙醇仔細(xì)清潔各個(gè)組件，并在60°C的紫外線下固化30分鐘,，這一過程不僅確保了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還提高了成像的清晰度,。

△完全組裝的3D-PBR系統(tǒng),，帶有模塊化蠕動泵和3D打印細(xì)胞培養(yǎng)基儲存器

雙室設(shè)置支持細(xì)胞相互作用

這款3D打印設(shè)備的創(chuàng)新之處在于它獨(dú)特的雙隔室設(shè)計(jì)，兩個(gè)隔室通過一個(gè)孔徑為0.4 µm的多孔聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜相隔,。該膜允許介質(zhì)在隔室之間傳輸,，同時(shí)支持細(xì)胞間的相互作用，而保持隔室之間的獨(dú)立性,。

其中一個(gè)隔室專為血管細(xì)胞設(shè)計(jì),，配備魯爾鎖端口以控制液體流動，并包含一個(gè)尺寸為11.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的矩形通道,。另一個(gè)隔室則為間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）設(shè)計(jì),，擁有一個(gè)尺寸為15.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的橢圓形通道。盡管設(shè)計(jì)復(fù)雜,，整個(gè)系統(tǒng)（包括蠕動泵和3D打印的培養(yǎng)基儲存器）的體積卻僅限于60立方英寸,。

研究人員選擇了一種特殊的樹脂基聚合物，而非常見的聚二甲基硅氧烷（PDMS）,，后者常受到分子吸收和制造限制的影響,。這一新方法提供了更高的靈活性和耐用性，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，更適合各種實(shí)驗(yàn)條件,。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在膠原蛋白纖維凝膠中培養(yǎng)MSCs,，選擇這種材料是因?yàn)樗�能提供結(jié)構(gòu)支撐并模擬細(xì)胞外基質(zhì)的環(huán)境,。他們分別制備了濃度為3.8×10⁴細(xì)胞/毫升的凝膠用于骨分化實(shí)驗(yàn),，以及2.6×10⁵細(xì)胞/毫升的凝膠用于脂肪分化實(shí)驗(yàn)。

同時(shí),，將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）以1×10⁶細(xì)胞/毫升的濃度引入血管室,，在21天內(nèi)形成融合單層。為了進(jìn)一步促進(jìn)分化過程,，研究人員采用了23 µL/min和100 µL/min的流速,，已知這些流速有助于促進(jìn)骨生成條件。

△3D-PBR中血管和MS隔室的組裝過程

3D-PBR技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用與前景

接下來,，研究團(tuán)隊(duì)利用熒光顯微鏡來評估MSCs在3D-PBR中的分化狀況,。使用了VE-Cadherin、ActinRed™ 555和NucBlue等成像標(biāo)記物,，這些標(biāo)記物清晰地展示了細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及相互作用,。研究結(jié)果顯示MSCs的活力高達(dá)92%，而HUVECs的活力為91%,。

更值得注意的是,，與靜態(tài)培養(yǎng)條件相比，3D-PBR中培養(yǎng)的細(xì)胞顯示出更顯著的分化特征,。具體表現(xiàn)為骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)具有更高的復(fù)雜性和成熟度,，以及脂肪細(xì)胞分化的一致性。

△3D-PBR的µCT掃描

為了確保裝置的結(jié)構(gòu)完整性,，研究人員進(jìn)行了µCT掃描,，證實(shí)了隔間密封性良好，適宜進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn),。這一驗(yàn)證步驟對于確認(rèn)裝置設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要,。

雖然初步實(shí)驗(yàn)證明了該裝置的生物相容性和促進(jìn)細(xì)胞分化的能力，但仍存在局限性,，特別是對血管細(xì)胞信號如何影響間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）生長的分子機(jī)制研究不足,。此外，由于不同細(xì)胞需要不同培養(yǎng)基,，目前只能在MSCs分化后引入血管細(xì)胞,，未來計(jì)劃開發(fā)通用培養(yǎng)基并結(jié)合基因表達(dá)分析優(yōu)化培養(yǎng)條件。

展望未來,，研究人員相信3D-PBR的緊湊設(shè)計(jì),、與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的兼容性以及廣泛適應(yīng)性，將使這項(xiàng)技術(shù)成為研究骨骼形成,、脂肪分化以及其它需要模擬真實(shí)環(huán)境的組織工程應(yīng)用的寶貴工具,。