加州大学高通量3D生物打印机加快药物开发过程

2021年6月10日，南极熊获悉，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师们开发了一种高通量的生物打印技术，能够以极快的速度进行3D打印。它可以在30分钟内制作出96孔的活体组织样本阵列。研究人员表示，这款快速、大批量生产定制生物组织的3D打印机可以加速临床前药物筛选和高通量疾病建模，从而使药物开发更迅捷、更省钱。

△高通量3D生物打印

一家制药公司开发一种新药的过程可能需要长达15年，成本高达26亿美元。它通常从在试管中筛选数以万计的候选药物开始。成功的候选者将接受动物试验，任何通过这一阶段的候选者将进入临床试验。如果幸运的话，这些候选药物中的一个将作为FDA批准的药物进入市场。

加州大学圣地亚哥分校开发的高通量3D生物打印技术可以加速这一过程的第一步。这将使药物开发商能够迅速积累大量的人体组织，他们可以在这些组织上更快地测试和排除候选药物。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授Shaochen Chen说："通过研究人体组织，你可以获得更好的数据，真正的人体数据，了解药物将如何发挥作用。我们的技术能够以高通量能力、高重现性和高精确度创建这些组织。这确实可以帮助制药业迅速确定最有前途的药物，并以它们为目标。"这项工作发表在《Biofabrication》杂志上。

研究人员指出，虽然他们的技术可能也需要经历动物试验过程，但它可以将该阶段的失败率降到最低。

此外，Chen实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者尤尚亭指出："我们在这里开发的是复杂的3D细胞培养系统，它将更紧密地模仿真实的人体组织，并可望提高药物开发的成功率"。

这种技术不仅在精度方面可以与其他3D生物打印方法相媲美，它还可以打印出具有复杂微观特征的逼真结构，如含有血管网络的人类肝癌组织，而且在速度方面也不会减分。使用Chen的技术打印一个这样的组织样本需要大约10秒钟，而使用传统方法打印同样的样本需要几个小时。它还有一个额外的好处，就是可以将样品直接自动打印到工业孔板中。这意味着样品不再需要一次次从打印平台手动转移到孔板上进行筛选。

Chen说："当你把它扩展到96孔板时，你会发现在时间上有很大的不同。用传统方法加上样品转移时间至少需要96小时，而用我们的技术总共需要30分钟。

可重复性是这项工作的另一个关键特征。这种技术制备的组织是高度组织化的结构，因此它们可以很容易地被复制用于工业规模的筛选。Chen解释说：“这是一种用于药物筛选的培养器官的新方法。有了器官，你可以混合不同的细胞类型，并允许它们自我组织，形成一个三维结构，这个结构没有得到很好的控制，会因不同的实验中有所不同。因此，对于相同的属性、结构和功能，它们是不可复制的。但通过我们的3D生物打印方法，我们可以准确地指定打印不同细胞类型、数量和微结构的位置。"

它是如何工作的

为了打印他们的组织样本，研究人员首先在计算机上设计生物结构的三维模型。这些设计甚至可以来自医学扫描，因此它们可以为病人的组织进行定制。然后计算机将模型切割成二维快照，并将其传输到数百万个微观大小的镜子上。每面镜子都由数字控制，以这些快照的形式投射出紫光（波长为405nm，对细胞是安全的）的图案。光线图案被照射到含有活体细胞培养物和光敏聚合物的溶液上，这些聚合物在光照下会固化。该结构以连续的方式一次快速打印一层，创造出一个三维固体聚合物支架，包裹住活体细胞，使其成长为生物组织。

数字控制的微镜阵列是该打印机高速运转的关键。由于它在逐层打印的同时将完整的二维图案投射到基材上，它产生三维结构的速度比其他打印方法快得多，后者是用喷嘴或激光逐行扫描每层。

Chen实验室的学生纳米工程专业的博士HenryHwang指出："打个比方，比较一下用铅笔和模板画画一个形状的区别。用铅笔，你必须画出每一条线，直到形状完成。但用模板画的话，你可以一次性标记出那个形状。这就是数字微镜设备在我们技术中的作用。这是速度上的数量级差异。"

这项最近的工作建立在Chen的团队在2013年发明的3D生物打印技术上。它开始是一个为再生医学创造活的生物组织的平台。以前的项目包括3D打印肝脏组织、血管网络、心脏组织和脊髓植入物，仅此而已。近年来，Chen的实验室已经扩大了其技术的使用范围，打印珊瑚启发的结构，海洋科学家可以用它来研究海藻的生长，并帮助珊瑚礁的恢复项目。