UMC UTRECHT 的研究人员在体积生物打印方面取得了重大创新

南极熊获悉，UMC Utrecht的科学家在体积生物打印方面取得了多项创新。 生物打印是活细胞和组织的 3D 打印，是一种增材制造技术，具有医疗应用潜力。然而，3D 打印活细胞和组织面临着许多挑战。



UMC Utrecht 研究人员在该领域取得了三项关键进展，希望这些进展将有助于扩大 3D 生物打印的临床应用：

●在3D打印细胞中创建生物功能区域；
●使用颗粒凝胶优化 3D 生物打印细胞；
●将体积生物打印与熔体电写相结合3D打印血管。   

具有生物功能区域的3D打印细胞


原文下载地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admt.202300026

这一项关键创新与 3D 打印细胞的生物功能有关。将体积生物打印与专用凝胶结合使用，可以在几秒钟内将细胞打印出来。然而，传统的 3D 生物打印方法不允许对这些细胞进行精确操作和准确放置在需要它们的地方。此外，无法对凝胶进行编辑以实现细胞的发育、生长和特化。  研究人员致力于在初始3D生物打印过程后对3D打印材料进行化学变化。为实现这一目标，研究人员编辑了凝胶的孔隙率以及与凝胶中其他分子结合的内部化合物。

研究人员使用体积打印机打印基于明胶的结构，然后通过将这些结构注入生物分子和光引发剂，可以在明胶结构内创建复杂的 3D 模型。这使得体积3D生物打印组织成为可能，这些组织可以“涂”入其中的生长因子或生物活性蛋白。论文作者Falandt认为这是创建可生化编辑的智能材料的重要一步，对于创建可以指导细胞行为和发育的生物制造支架非常有前途。

使用颗粒状凝胶进行 3D 生物打印优化细胞


原文下载地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.17.541111v1

3D 打印的细胞需要特别注意，以确保它们能够生存和茁壮成长。此外，细胞能够生长、移动和交流至关重要。挤出 3D 打印允许大量沉积各种细胞类型。然而，这个过程非常耗时，依赖于重力，并且会对细胞造成机械应力。虽然体积生物打印不具备速度或重力依赖性的缺点，但它确实随机分布细胞，并且数量很少。此外，细胞无法有效运作和沟通。因此，必须使用软水凝胶等材料，它们可以实现细胞的自我组织和交流。然而，传统的软水凝胶在 3D 打印分辨率和形状保真度方面存在问题，为此，研究人员使用颗粒状树脂来克服这些挑战。

论文的第一作者Davide Ribezzi表示：“颗粒凝胶基本上是紧密堆积在一起的凝胶微粒可以设计和定制填充的微凝胶颗粒，具有广泛的附加特性。”在挤出3D打印过程中，细胞和其他化学物质可以快速准确地沉积在树脂中。然后使用体积 3D 打印通过在挤压细胞周围创建形状来完成该过程。   对细胞进行的实验强调，颗粒状树脂在打印后具有更多的生物活性。在 3D 打印后的八天内，干细胞能够扩散得更多，上皮细胞产生更多的连接，神经元样细胞建立更多的连接。     

   
△复杂的共培养模型包含两个不同的 iβ 细胞组（用不同的荧光亲脂性膜染料染色），嵌入具有中央通道的体积打印结构中。

合并生物打印技术以获得更强壮的功能性血管


原文下载地址：https://doi.org/10.1002/adma.202300756

由于体积生物打印使用对细胞友好的凝胶，因此最终的 3D 打印结构通常很脆弱。这在生产需要承受高压和弯曲的血管时会带来问题。因此，研究人员将体积生物打印与熔体电写结合起来，创造出更坚固、更耐用的结构。熔体电写使用细长的熔融塑料丝来 3D 打印复杂而坚固的支架。然而，由于涉及高温，电写不能直接 3D 打印电池。

为了解决上述问题，研究人员使用体积生物打印以将载有细胞的凝胶固化到支架上。将 3D 打印的管状支架浸入一小瓶光敏凝胶中，然后放入体积打印机中。然后 3D 打印机的激光可以选择性地将凝胶固化到支架上。


△用 20、40 或 60 层熔体电写支架强化体积打印管的效果。

研究人员测试了各种支架厚度和生物打印凝胶的不同位置，还 3D 打印了一个原理性的血管，它有两层干细胞，中间有一层上皮细胞。这种设计允许在 3D 打印的侧面包含孔，从而为控制血管的渗透性提供了可能性。还生产了更复杂的结构，包括叉形血管和带有静脉瓣膜的血管。   该研究的第一作者 Gabriël Größbacher 评论道“这是原理研究的证明。我们现在需要做的是用作为真实血管一部分的功能细胞替换干细胞。”


△带有上皮细胞（紫色）和两种类型的干细胞（蓝色、黄色）的生物打印血管的横截面，以模拟血管壁的层。

3D生物打印的发展  

近十年来，3D生物打印变得越来越火热，已从专门用于学术研究的3D生物打印系统扩展到一个商业化领域。目前，生物打印系统的硬件能力不断提高、商业化、材料标准化趋势明显。可以说，生物打印行业的各个方面都蓬勃发展，持续创新，在市场中开拓出一番天地。

2023年2月，3D Systems宣布了再生组织计划 (RPT) 的计划，以开发和商业化生物打印的人体组织。第一个 RPT 是患者特异性再生乳腺组织 (RBT)。使用 3D 建模和 3D 生物打印以及虚拟手术规划 (VSP) 系统，3D Systems 可以设计和 3D 打印与患者的解剖学和生理学相匹配的生物整合支架。

2023年4月，斯旺西大学的研究人员正在开发一种3D打印纯素鼻子，用于那些需要人工鼻移植的人。在此过程中，纳米纤维素水凝胶和透明质酸被用作生物墨水来 3D 打印人造软骨支架。然后通过生物催化剂将其固化以增加其强度。然后将 3D 打印的支架浸泡在患者软骨细胞的溶液中，然后再通过手术植入。