科学家开发微流控3D生物打印技术，可以更好地复制细胞结构

2022年4月28日，南极熊获悉，美国史蒂文斯理工学院的一个研究小组目前正致力于开发一种基于微流控技术的生物打印方法。据悉，这种微流控生物打印是一种操纵具有微米级特征的液体的技术。它有趣的地方在于，这个项目将使研究人员有能力在比以前更小的范围内工作，甚至可以创造任何类型的人体组织。研究人员可以非常精确地复制人体细胞的生物特征，从而推进器官移植等工作。

在罗伯特-张教授的领导下，该团队开发了一个计算模型，以加速微流控生物打印并实现器官开发。根据美国卫生和人类服务部卫生资源和服务管理局的移植司（DoT）的数据，目前全国有105,940人在等待移植。缺乏可供移植的器官对全国人民来说是致命的，而这个问题有可能因为3D打印而得到解决。正如你可能知道的那样，生物打印能够复制定制的细胞结构，以促进皮肤甚至器官等的创造。尽管我们离获得3D打印的心脏或功能齐全的肾脏还很远，但正如这一最新进展所清楚表明的，进步是真实的。

△微流控技术是一门操纵具有微米级特性的液体的科学

这个美国团队所进行的研究可能会使生物打印领域的格局发生变化，尤其是它是基于微流控技术的。市场上的其他3D生物打印机主要是基于挤压技术，即逐层挤压油墨，厚度约为200微米。然而，由于有了微流控生物打印技术，它将有可能缩小到只有几十微米，并以这种方式拥有更接近于细胞本身的规模。

罗伯特-张解释说。"创造新的器官，在不需要人类捐赠者的情况下拯救生命，这对医疗保健行业来说将是一个巨大的好处。然而，实现这一目标是很棘手的，因为使用生物墨水（充满培养细胞的水凝胶）打印器官需要对打印的微纤维的几何形状和尺寸进行一定程度的精细控制，而目前的3D打印机根本无法实现。"

通过尽可能接近人体细胞的规模，该团队将能够重现每个细胞的更详细的生物特征。该团队已经开发了一个微流控打印头的计算机模型，以控制诸如流速和流体动力学等参数。这个模型使其能够修改生物打印结构的几何形状和材料特性。最重要的是，它提供了混合几种生物墨水的可能性，因此也提供了混合几种类型细胞的可能性，以设计更复杂的器官。

△目前的3D生物打印机主要基于挤压工艺（图片来源：Département06-Xavier Giraud）。

BICO的Bio X 3D生物打印机，一个基于挤压的系统。照片来自BICO。

到目前为止，研究人员说他们已经用3D打印的支架打印了水囊。但通过结合多种生物墨水，他们希望能走得更远。Robert Chang总结说："能够在这种规模下操作，同时精确混合生物墨水，使我们有可能复制任何组织类型。这项技术仍然很新，我们不知道它能实现什么，但我们知道它将打开创造新结构和重要新型生物应用的大门。"

△微流控打印头建模的示意图和数值建模参数，图片来自Stevens IoT。