南极熊导读：有限的器官捐赠者、无法支持人体组织生长的医疗材料以及代价高昂的药物测试失败都是研究人员在医学领域中正面临的挑战。3D 打印正在稳步成为在这些领域取得进展的替代方案，但仍有其局限性，尤其是在工程人体组织方面。
FluidForm 是一家位于马萨诸塞州的再生医学公司，旨在通过其液体3D打印技术应对这些挑战。对于许多生物材料，当前大多数3D打印方法和研究都依赖于修改现有材料以使其能够在空气中正常打印。该方法的缺点是，它通常会使得材料发生不希望的化学或者物理变化。南极熊获悉，FluidForm开发了一种称为悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入 (FRESH) 技术。FRESH方法没有改变材料，而是修改了 3D 生物打印环境。这使得可以使用胶原蛋白、有机硅和蛋白质以及任何液体聚合物树脂进行打印。
FRESH
FRESH 技术的大部分来自于卡内基梅隆大学 (CMU) 的再生生物材料和治疗实验室，由 FluidForm 首席技术官兼联合创始人、生物医学工程和材料科学教授 Adam Feinberg 提出。2018 年，Feinberg的3D打印胶原蛋白核心技术促成了FluidForm的起步。次年，该公司的概念验证研究发表在《Science》杂志上。团队能够从患者独特的MRI中准确再现心脏的解剖结构。
△FRESH 技术使胶原蛋白的 3D 打印能够创建人类心脏的复杂组件，从小血管到心室。（图片由 FluidForm 提供。）
FRESH 技术的工作原理
△FRESH原理示意图
当前的生物打印技术需要紫外线和高温。FRESH 通过其 LifeSupport培养液使用天然凝胶化学（酶促、离子、pH）实现细胞和蛋白质的 3D 打印。这种”支持液“能够在物理上保持软蛋白质和细胞的位置，使得材料凝固一定的形状，保证不变形。Bioinks 和其他材料也被注入培养液中，可以确保打印件不会发生变形或塌陷。与在空气中打印不同，这种培养液会触发化学反应。打印后，水凝胶被加热融化。LifeSupport 可以将不同的材料一起打印成任何几何形状，而不会影响打印部件的保真度。此外，研究人员可以添加其他蛋白质，以确保组织正常发育，使得创建人体真实组织变得触手可及。
Fresh解决人体组织打印挑战的方法：
1）使用正确的材料：人体的每一个组织中都有一系列的细胞和蛋白质。细胞、信号分子和细胞周围的细胞外基质(ECM)之间存在着相互依赖的关系。以往的生物打印机将材料置于空气中打印，从而损害了它们的生理性。与传统生物打印技术使用的紫外线和高温不同，Fresh允许FluidForm通过使用身体的凝胶化学(离子、pH、酶)来打印细胞和ECM蛋白质。这些材料和细胞不仅可以打印在一起，它们还可以与其他有助于引导组织正常发育的蛋白质一起发挥功能。
△FRESH材料选择
2） 使用正确的组装方法：结构和功能在整个生物学中需要高度交织在一起。为了有适当的组织功能，必须有适当的组织结构，如肌肉纤维的排列。生物打印机还必须能够组装材料，就像人体从头开始构建材料一样。Fresh能够实现对空间的控制，以及以高分辨率打印软可变形材料，而无需修改它们。使用新的、以前不可能打印的化学物质如今已经成为可能。这是由于生物墨水-支持浴允许发生化学作用，如pH变化，这在空气中是不可能的。胶原蛋白是人体的主要结构蛋白，现在可以组装并排列成任何3D形状。这使得Fresh成为将生理上最相关的细胞和材料组装成任何几何体的唯一方法。
△与传统3D打印技术的对比
3）开发正确的功能：3D生物打印的最终目标是创建功能组织，而在FluidForm，最中的目标是实现收缩心肌的制造。就像人体组织一样，工程组织需要具有高细胞密度才能实现自然功能。传统的生物打印机无法实现上述目标，主要有两个方面。首先，传统的生物打印机用添加剂稀释生物墨水，使其在空气中更加坚硬。其次，与人体组织相比，这些生物墨水的细胞密度非常低，因为这种材料的很大一部分必须是增稠剂，才能实现结构的制造。Fresh允许生物打印生物墨水，其细胞密度是传统生物墨水的十倍以上，打印材料的绝大多数(>90%)成分是细胞。最终的结果是能够打印出十分密集、排列整齐和巨大的心肌组织，以至于能够像天然心脏一样跳动。打印细胞密度高的材料使FluidForm能够构建组织，为药物测试和再生医学开发下一个级别的功能。
△使用高密度细胞材料进行
4）器官大小的比例：生物打印方法的核心技术可以从生物制药组织模型所需的1立方厘米扩大到可植入组织所需的1立方米以上。传统的生物打印机无法构建比邮票更大的结构，FRESH技术已经可以打印一个完整的心脏模型了。
FluidForm 说：“LifeSupport 可以在一系列缓冲液和细胞培养基中再水化，以支持多种细胞类型和特定的生物墨水。”可扩展性是FRESH技术的另一个特性。许多现有的生物打印机只能打印像邮票一样大的东西。作为初步研究的一部分，范伯格和他的团队创建了一个模拟缝合线和心脏组织弹性的全尺寸生物打印人体心脏模型。
△图片由 FluidForm 提供
FluidForm 的 FRESH™ 专利技术被证明可以：
1. 生产真正功能性跳动的人体心室和心脏瓣膜
2. 将复杂的分支脉管系统重建到毛细血管尺度
3. 定制细胞排列以产生肌肉纤维和组织各向异性
4. 在大型动物研究中促进组织再生
5. 制造全尺寸器官
取得医疗进步
自FluidForm公司发表其研究报告以来，众多投资者和医疗领域的知名人士都注意到了它。
●2021年，FluidForm开始与强生医疗器械公司Ethicon合作，开发具有真实人体组织特征的生物打印组织。
●2022 年 6 月，Hackensack Meridian Health 及其 Bear's Den 创新计划宣布投资 FluidForm，以进一步推进其组织技术、手术修复和药物发现。
●FluidForm 还获得了美国国立卫生研究院 (NIH) 和美国国家科学基金会 (NSF) 的资助，并建立了一条生物制造试验线。
△LulzBot 生物打印机经认证可使用 FRESH 技术。（图片由 Aleph Objects 提供。）
FluidForm 已经将其技术商业化。Fargo Additive Manufacturing Equipment 3D（前身为 Aleph Objects）于 2019 年推出了其 LulzBot Bio Printer，这是一款获得 FRESH 认证的打印机。这款开放式硬件机器与 bioinks 胶原蛋白和其他软生物材料兼容。其主要目标是组织工程、再生医学以及化妆品和药物测试领域的研究应用。CELLINK 还可以在其 BIO X 打印机上使用 FRESH。使用 FRESH 使组织工程师能够以更高分辨率和复杂的几何形状进行 3D 生物打印。工程师无需花费时间优化打印油墨，而是可以跳过该步骤并立即开始打印组织和支架。
未来的行业应用
虽然 FRESH 技术可能还需要几年时间才能获得食品和药物管理局 (FDA) 批准用于实际植入物，但 FluidForm 表示会继续前进并磨练其技术。
●对于其他行业，尤其是那些需要轻量化应用的行业，如汽车和航空航天，使用轻质有机硅和其他未改性聚合物来创建复杂的设计可能具有新的潜力。
●高性能聚合物仍然是一种趋势。除了更轻、更具成本效益外，它们的生产速度通常更快，并且可以制成更复杂的形状。使用传统的立体光刻 (SLA) 或数字光处理 (DLP) 打印它们具有所有优点，但也有一些缺点。这些聚合物通常经过改性，需要添加昂贵的颜料，具有低粘度并且不允许多材料打印。FRESH 技术使用户能够使用未经改性的各种聚合物和弹性体进行打印。这确保了它们保持其自然特性，并且还可以将不同的材料打印在一起。
●热塑性长丝和树脂更容易在标准打印机中使用，但可能不具备所需的热固性材料质量。由于热固性材料是一种聚合物基材料，因此可以使用 FRESH 进行打印。由于它们的交联性质，热固性塑料往往更坚固、更硬。当制造商想要一种能够抵抗软化和变形的最终产品时，就像热塑性塑料可能会发生的那样，FRESH 可能是一个很有前途的选择。
●泡沫是另一种难以创造的流行材料。尽管泡沫已在足球头盔和鞋子等用途中显示出不错的前景，但 FluidForm 认为其 FRESH 技术可能会在制造复杂泡沫方面取得进步。该技术的全方位打印能力意味着它可以制造具有桁架和节点结构的开孔泡沫。增加空隙空间的能力使泡沫更加柔软，能够在保持长期机械性能的同时调整弹性和压缩。
●随着机器人技术的不断发展，软机器人正成为热门话题。FRESH 可能会提供新的机会来创造生物混合材料，从而增强生物传感器和纳米材料的传感能力。FRESH 还允许进行非平面打印——打印具有弯曲层的部件。这种新技术进一步提供了创建独特几何形状的自由度，包括那些需要各向异性特性的几何形状，例如 3D 眼镜。
南极熊认为，FluidForm不断发展的技术值得密切关注。
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