组织工程旨在为再生和个性化医学制造新的组织和器官系统。最近，美国商业开发商和航天设备运营商Techshot Inc和电子打印机制造商nScrypt开发了生物3D制造设施，该设施使用成人细胞和成人组织衍生的蛋白质作为其生物墨水，用于在国际空间站（ISS）上创建可行的组织。此外，磁悬浮生物打印技术已在国际空间站上进行了测试和验证。
虽然目前的进步还不允许制造用于移植的器官，但空间复杂组织的生物3D打印有助于研究空间环境对生物过程的影响，否则很难在人类或动物身上进行研究，对于心血管系统来说尤其如此。为此，来自南卡罗来纳大学的Kevin T abury、Lorenzo Moroni等人描述了在地球上使用的生物打印技术及其在太空中的适用性。作者讨论了地球和太空中心脏组织生物打印的当前进展，并关注了生物链接的属性和在太空中遇到的挑战。
相关综述论文以“Bioprinting of Cardiac Tissue in Space: Where Are We?”为题于2023年6月14日发表在《Advanced Healthcare Materials》上。
1. 地球上的生物打印技术及其在空间的适用性
高精度和灵活性还能够结合多细胞沉积是生物3D打印的额外显著优势。生物3D打印主要使用的技术包括喷墨、激光辅助和挤压，也出现了磁悬浮或前述技术的衍生物等技术。基于喷墨、激光辅助和挤压的3D打印技术已经被广为熟知。在追求软组织生物打印的过程中，磁悬浮技术应运而生。
目前的磁悬浮方法是使用钆(Gd3+)和锰(Mn2+)等离子或自由基来顺磁化位于两个磁体之间的悬浮介质，磁极相同，彼此相对。通过添加封装在水凝胶中的细胞（称为建筑块）进入悬浮介质并暴露于磁场后，这些水凝胶将自身定位在最小磁场强度区域。因此，通过改变构件的参数(组成、硬度、弹性模量、孔隙率或细胞类型)，可以以无支架、无标记和无喷嘴的方式组装具有独特空间异质材料性质的复杂构建体（图1）。
图1 磁悬浮原理
最近在心脏组织生物打印的背景下已经有文献对上述技术进行了审查。与其他文献不同的是，作者总结了每种技术的重要方面，并指出了微重力在太空中使用时的优点和缺点（表1）。
表1 地球上使用的生物打印技术的比较
2. 地球上心脏组织生物打印的生物墨水特性
仿生功能性心脏组织的创建在很大程度上依赖于适当的微环境和细胞密度，以及生物墨水的结构和功能特性。具体来说，生物墨水的粘弹性特性、细胞结合基序的包含以及生物墨水的打印后修饰，促进细胞排列、营养运输和机电同步，都对组织形成、成熟和功能化做出了显着贡献。迄今为止，尚未产生完全成熟的心脏组织。因此，仍然需要寻找理想的生物墨水，并应以以下要求作为指导：
•高弹性和机械强度，可承受肌肉收缩时的重复机械应力和非线性弹性。
•适当的生物降解性，可以持续足够长的时间以进行细胞附着，并防止患病心肌的蛋白水解活性，而不引发免疫反应。
•生物相容性对细胞无毒，可以支持细胞的生存。
•促进新血管形成和结构重塑。
•受控的机电特性不会干扰动作电位的电导。
•由外而内的信号传导促进体外心肌细胞的最佳附着、存活、生长、成熟和功能，并支持功能性心脏收缩和植入体内后融入宿主组织。
3. 地球上心脏组织生物打印的进展
接着，作者对目前心脏组织生物打印技术进行了概述，包括传统生物打印方法和集成生物打印和芯片实验室系统的方法。其中，将生物打印与芯片器官集成时最常用的打印技术是压力辅助、喷墨、光辅助和微流体生物打印。通常，可以使用三种主要方法来实现集成：(1)单独打印构建体并将其放置在打印后的流体外壳中，(2)直接在外壳内打印构建体，或(3)对整个芯片进行完全生物打印和组织构建一步完成（图2）。
图2 生物打印器官芯片的打印方法概述
4. 太空中使用的生物打印技术
与地面操作相比，微重力下的生物打印带来了各种新的障碍，但也带来了机遇，需要对当前地面技术进行量身定制的工程改造。微重力为打印复杂的器官结构提供了独特的解决方案，因为最小的重力消除了支撑复杂组织形状的脚手架结构的需要。
迄今为止，在太空中已经使用了两种生物打印技术。2018年，Roscosmos推出了“Organ.Aut”，该生物打印技术基于磁悬浮，他们的实验涉及一系列连续的阶段（图3）。2019年，国际空间站国家实验室启动了生物制造设施（BFF），该生物打印技术基于挤压（图4）。
图3 Organ.Aut 太空打印过程概述
图4 太空BFF打印过程概述
5. 太空生物打印面临的挑战
在地球上，3D生物打印的挑战集中在打印分辨率、支架的选择、受控血管化的生成、受控异质细胞类型组成及其相关的空间分布，以及生物墨水中使用的生物材料。尽管由于微重力环境而减少了对结构支撑脚手架的需求，但这些挑战仍然存在于太空中。
（1）首先，包装和运输方面的物流需要确保生物材料安全抵达国际空间站。为了确保宇航员的安全，需要多层密封以避免任何液体泄漏到国际空间站。这意味着发生液体交换的生物打印机的任何连接器或组件也需要防漏。
（2）其次，为了确保生物样本保持活力，需要不同的储存温度。对于Organ.Aut，软骨球包含在热可逆水凝胶中，在打印之前储存在4 °C下。就BFF而言，心脏细胞储存在-95 °C下，而水凝胶则单独包装并储存在2 °C下。
（3）第三，如果打印过程在地球上控制，则需要考虑由于国际空间站和地面控制之间的通信中断而导致的信号丢失。在这方面，需要开发实施人工智能和机器学习的自动化系统。
（4）最后，由于太空中的辐射水平，电子元件需要进行抗辐射处理。
在太空中，最初的心脏组织研究集中于人类干细胞及其分化为心脏祖细胞或心肌细胞（表3）。尽管心脏组织是使用BFF进行生物打印的，但迄今为止尚未发表其他研究。近年来发表了一些有前途的项目，这将进一步提高对太空心脏组织工程的理解（表2）。
表2 使用人类干细胞衍生的心脏细胞在国际空间站上进行的实验列表
综上，在快速发展的生物打印领域，空间材料的生物打印是新的、有前景的、未来的研究方向之一。太空生物打印实践具有许多潜在的好处。首先，由于微重力，可以想象生物打印结构，使用更多的流体系统，从而使用更具生物相容性的生物墨水。其次，缺乏重力意味着与地球上不同的是，诸如空隙、空腔、隧道等复杂的几何形状在微重力下是自支撑的，因此微重力环境有利于它们的建造。第三，初步实验似乎表明干细胞在微重力下表现更好。心脏组织是最复杂的器官之一，微重力有可能带来突破性的进步。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202203338
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