Stevens开发微流体打印计算模型，为3D打印生物器官开辟新道路

南极熊导读，人体器官移植为重病患者提供了一条至关重要的生命线，但可供移植的器官太少：仅在美国，目前就有超过112000人在等待器官移植。3D打印器官是其未来发展的重要方向之一。但它的发展充满了复杂性和技术障碍，限制了可以打印的器官类型。

△基于微流控的生物打印系统，( a ) 微流控打印头的通道系统设计，( b ) 整个生物打印系统的设置。图片来自Stevens Institute

2022年4月14日，南极熊获悉，Stevens Institute理工学院的研究人员正在通过开发数据分析模型来克服这些障碍。这项工作由史蒂文斯谢弗工程与科学学院机械工程系副教授 Robert Chang 领导，他宣称通过他们的数据分析计算，可以为3D打印制造出任何类型的器官开辟新途径，甚至直接在开放性伤口上打印皮肤。

“在不需要人类捐赠者的情况下，创造新的器官来挽救生命，将对生物医疗发展带来巨大的好处，”Robert Chang说，他的学术研究已发表在4月的《科学报告》杂志上。“为了达到这个目标是很棘手的，因为使用生物墨水打印器官，需要对打印的超细纤维形状和尺寸进行一定程度的精细控制，这是目前3D打印机暂时无法实现的。”

基于微流体的生物打印参数对微纤维几何结果影响的数值分析。科学报告，2022；12 (1) DOI: 10.1038/s41598-022-07392-0

Chang和他的团队，希望通过一种新的3D打印工艺来实现，该工艺使用微流体，通过微小通道精确操纵液体，对比现有的技术可实现更为精细的操作。“他们的这项研究旨在通过提高微流体生物打印技术，实现制造微组织和微纤维结构，同时具备可控及可预测性，”Zaeri说。

目前大多数3D生物打印机都是基于挤压工艺，从喷嘴中喷出的生物墨水大约为200微米——大约是意大利面条的十分之一宽。基于微流体可以打印出同单细胞等同大小的生物对象（仅有十微米）。

△3D生物打印示意图。图片来自Google

除了更加精细的操作，将微流控打印头结合到生物打印中。微流体还可以使用多种生物墨水（每种包含不同的细胞和组织前体），可在单个打印结构中互换使用，这与传统打印机将彩色墨水组合成单个图像的方式非常相似。

这点非常重要，虽然研究人员已经通过在3D打印支架上来创建简单的器官，如膀胱，但更复杂的器官，如肝脏和肾脏，需要精确组合许多不同的细胞类型。如“需要更精细的操作，同时精确混合生物墨水，才能复制出任何类型的组织，”Chang 说。

△海藻酸钙的液滴形成和微滴频率预测。图片来自Stevens Institute

为实现以上3D生物打印，需要准确的了解不同的工艺参数（如通道结构、流速和流体动力学），它们是如何影响打印的生物结构的几何形状和材料特性。为了简化这一过程，Chang的团队的数据模型能够预测结果，而无需进行额外的人工实验。Zaeri说。

Chang正在使用基于微流体的打印头的设计和数值评估，以实现受控的微纤维挤出，用于生物打印功能分级的组织结构。这项研究工作的结果可用于打印组合的多种细胞类型的生物墨水，这种生物墨水还可以复制具有梯度几何和组成特性的组织（骨骼和肌肉的交叉点）。

Chang还在探索使用微流体3D打印技术实现原位生成皮肤和其他组织，使患者能够将替代皮肤组织直接打印到伤口上。他说:“这项技术还处于起步阶段，我们还不知道它还能实现什么。”但我们知道，该项技术非常重要，为未来3D生物医疗发展奠定基础。