《Cell》综述：生物3D打印，生物学家的好帮手

来源： EFL生物3D打印与生物制造

生物3D打印是一项新兴的技术，通过人工构建生物学组织，能探索全新的组织结构，彻底改变了生物学的基本认知。生物3D打印技术不仅应用于组织修复和药物筛选，而且探索细胞形态及细胞相互作用中也有很大的应用价值。宾夕法尼亚大学的Jason A. Burdick教授在Cell上发表了一篇名为“Bioprinting for the Biologist”的综述。本篇综述主要从生物学家视角看生物打印，概述了挤出生物打印的步骤，并讨论了不同的生物3D打印技术以及其未来展望。

细胞生物学传统上是通过在2D硬表面如细胞培养板或动物模型中的细胞来研究的。而3D培养的细胞在柔软的材料中培养，这种方式模仿了细胞在体内的类集体性细胞行为。许多类型的生物或合成分子材料的水凝胶被开发出来并应用于细胞培养。在生物制造领域，生物3D打印被定义为：使用计算机辅助传输过程，用层积的方式制造出设定的图案并组装，以生产生物工程结构的技术。

生物打印技术基本分为三类。

1. 挤出式打印技术：从打印机喷嘴用压力驱动的方式挤出用于打印的用户自定义的细丝。（图1）



图1 挤出式打印技术

2. 投影式光固化生物3D打印：将光线集中到2D平面中以局部凝固水凝胶，然后通过机器转换层面，形成连续的层层交联的3D实体。光刻生物3D打印因为其精确性，能够重现复杂的微结构。如在2016年发表的研究中，使用投影式光固化技术在仿生六边形显微结构中对诱导多能干细胞（iPSC）-肝细胞、内皮细胞和脂肪干细胞进行培养，并证明其培养模型可以增强肝细胞功能，增加肝脏特异性基因表达、白蛋白分泌和药物代谢酶活性。（图2A）



图2 光控打印技术及微球打印技术

3. 微球打印技术：

球状生物打印技术优势在于其能提供高细胞密度结构的印刷。当单个细胞分散在凝胶中时，很多疾病状态都难以忠实地表现出来。预制的球体可以融合到组织链中，然后自行将组织链挤压呈更大的3D结构。球状生物打印技术在开发器官和组织模型方面具有重大应用前景。（图2B）

作者对以上三种打印技术进行了比较，并列出了其优缺点。（表1）


表1 三种打印技术优缺点比较


接下来，作者描述了生物打印的步骤。其被概括为三个步骤。（图3）

1. 计划。设计整体的打印模式和各个生物打印组件。其中需要注意两个关键步骤：打印设计与生物墨水选择。

打印设计通常通过计算机辅助设计（CAD）软件创建。创建CAD模型后，可以将其上传到打印机中以创建G代码。G 代码定义了生物墨水的打印路径，并可以指定如果使用多个生物墨水，在整个打印过程中使用哪些生物墨水。

生物墨水的选择主要基于墨水的可打印性以及生物墨水对细胞行为的影响。在表2中列出了生物墨水选择的一般注意事项。

表2 生物墨水选择的一般注意事项



2. 打印。使用合适的生物打印机打印出设计的结构。

3. 加工处理。处理打印结构。

生物打印的最后一步是加工处理生物打印出的结构。这些主要考虑其整个实验应用场景。包括整个实验过程的长度（这决定了你使用的生物墨水的稳定性和打印出的结构），以及里面需要承载什么细胞。用户可能需要根据应用场景规划打印结构的大小和打印参数。



图3 生物打印的步骤

生物3D打印在生物学中的应用：

1. 组织发育和修复生物打印模型

在3D打印的水凝胶中能够提供不同生长因子的生化梯度。在血管生成发芽实验中，细胞可降解水凝胶内的3D打印微通道，根据不同的生长因子浓度生长。（图4A）

2. 生物物理形态的发生

在组织生长过程中，因为内部的压力和张力产生，会导致机械力的作用。3D水凝胶模型可以重塑这种细胞外基质模型。通过将纤维细胞的胶原蛋白生物墨水挤出到支架上，然后测量由于牵引力而发生的胶原蛋白长度变化。（图4A）

3. 癌症疾病模型

在一项研究中，利用GelMA生物墨水的挤出式生物打印，开发出了将胶质母细胞和巨噬细胞分隔培养的微型大脑模型，能够更好的模拟肿瘤和其周围微环境的相互作用，此模型已证明与临床生成的转录组数据相关。（图4B）

4. 管状疾病模型

肾小管和血管之间的相互联系与再吸收关系纷繁复杂。在一项研究中，通过纤维蛋白基质中打印两个平行的微通道，其中一个铺近端肾小管内皮细胞，另外一个铺血管内皮细胞以形成单层上皮和血管。通过闭环灌注系统控制通过两个通道的流量，可以研究从上皮通道到血管通道的葡萄糖的再吸收。（图4B）



图4 生物打印在生物学上的应用

最后，作者概述了一些前瞻性的研究方向：

1. 研究旁分泌等远距离生化信号

用传统方式理解体内的发育组织的形态发生发展是复杂的。但是生物3D打印可以在此发挥关键作用。生物过程中，细胞会通过旁分泌方式分泌细胞因子作用到另外的细胞上。生物打印可以将细胞因子的“发送者”细胞和“接收者”细胞进行阵列排列，定量控制组织大小和组成以及细胞因子的扩散距离以及扩散率。有一研究表示血管细胞和肿瘤细胞之间的相互作用可以通过细胞参数的变化实时成像绘制出包括增殖、迁移、分泌以及蛋白质及基因表达等数据。（图5A）

2. 在发育的分化点建立生物结构

细胞可能因为机械牵引等因素产生不同的极化，从而产生极性分区。如向上与向下的方向性细胞，以及平面极性细胞。有一研究通过生物打印技术探索模式张力对细胞集体行为（如神经嵴形成）的影响。3D生物打印可以在水凝胶中改变细胞类型、细胞间基质（ECM）类型、ECM力学等参数，研究集体细胞行为。（图5B）

3. 形态变化

生物打印方法可用于创建具有细胞密度梯度的组织，以确定细胞密度本身是否足以触发出芽表型的形成。在研究中，可以通过与细胞密度相邻的微环境条件进行模式化并调整，可用于筛选微环境下的细胞迁移。（图5C）



图5 生物打印在生物学上新兴的应用场景

综上，该综述概述了生物打印作为一个新兴的领域，如何使用这一技术的步骤及利用该技术解决生物问题。生物体内涉及复杂的细胞、生化和生物物理动力学，这些动力学塑造了生物体及其组成器官的形状和组成，而人体内这些复杂性可以通过各种方式经由生物打印的方式进行重现，并与迅速壮大发展的有机工程领域进行合作。因此，生物3D打印的未来在解决生物学问题中具有巨大的潜力。


文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002