3D打印定制胚胎培养皿为体外受精带来新希望

2024年9月13日，南极熊获悉，研究人员正在使用3D打印技术制作专门的模具，用于制造有助于体外受精（IVF）过程中胚胎生长的特殊培养皿。这些被称为“井中之井”（Well-Of-Well, WOW）的培养皿包含不同形状的小井，能够更好地支持胚胎发育，从而提高IVF成功的可能性。


△ 胚胎培养的选择：(a) 在WOW培养皿中培养的胚胎；(b) 在标准IVF培养皿中培养的胚胎。

来自范德比尔特大学和田纳西生育研究所的研究团队利用B9Creations公司的3D打印机设计出了一种模具，能够以更便宜且更快捷的方式制造出WOW培养皿。在对小鼠胚胎进行的试验中，半球形井的培养皿比传统IVF培养皿中的胚胎发育得更好。

IVF是一项精细的过程，人类的成功率仍低于33%。研究人员和医生不断寻找新的技术来改进胚胎培养阶段，即在植入前在体外生长和培育胚胎的阶段。在这个领域内，WOW培养系统是一种更有前景的创新，为在胚胎早期发育阶段提供了一个全新的个体化环境。

传统的胚胎培养皿通常使多个胚胎共享同一滴营养丰富的培养液，而WOW系统则为每个胚胎提供了一个单独的“微井”。这些微井将胚胎分开，但仍能让它们接触到一个较大的“宏井”，其中含有共享的培养液和油。这种设置有助于胚胎在较少干扰的情况下获得所需的营养。研究人员发现，微井的形状和大小对胚胎的发育有着重要影响，而在WOW系统中定制微井形状可能会进一步改善胚胎健康。


△ 制作WOW培养皿的过程。

在发表于《自然》杂志的论文中，研究团队解释了3D打印技术在创新中的关键作用，整体制作流程为：
● 使用B9Creations的数字光投影（DLP）3D打印机来制造模具；
● 向模具中倒入一种叫做聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性材料；
● 当PDMS在3D打印模具中硬化后，将硬化件取出，取出的硬化件就是WOW插件，这些插件上有供胚胎使用的微小井或口袋；
● 将WOW插件安装到常规的IVF培养皿中以完成整个装置。


△ OCT 微井图像的叠加包括 (a) 半球形微孔、(b) 大截锥形微井、(c) 金字塔形v和 (d) 小截锥形微井。

研究中的一项令人兴奋的发现是微井的形状对胚胎发育起着重要作用。研究人员测试了多种井形，包括半球形、金字塔形和截头圆锥形的设计，并发现半球形微井中的胚胎显示出最高质量的结果。半球形结构更接近胚胎的自然生长环境，从而给予胚胎更好的生存机会。这些结果通过观察胚胎发育成为囊胚的程度来衡量，是预测成功妊娠几率的重要阶段。这一发现促进了更多关于优化微井设计以在人类IVF治疗中取得更好效果的研究发展。


△ 半球形 (H)、锥体 (P) 和截锥形 (TC) 微井形状的 WOW 培养皿中培养的胚胎的囊胚率与 IVF 培养皿中培养的胚胎的囊胚率 (I) 对比。

3D打印技术的灵活性使快速测试不同的微井形状成为可能。传统的WOW培养皿是通过诸如聚苯乙烯模塑注射的方法生产的，这种方式成本高昂且难以定制，因为每个模具都针对特定的形状，很难改变或测试新设计。通过使用3D打印，研究人员可以快速且低成本地迭代设计，每个模具的打印成本仅为60美元，每个插件的成本仅需77美分。这种低成本的过程可以使WOW系统更容易被全球的生育诊所接受。

研究人员不仅证明了WOW培养皿有效，还将其与传统方法制成的培养皿进行了比较。研究显示，带有半球形微井的3D打印WOW培养皿在胚胎质量方面优于市场上可购买的替代品。此外，WOW系统的另一个突出特点是可重复使用。用于制造WOW插件的3D打印模具经过测试，研究人员发现它们可以在不损失质量的情况下多次重复使用。这降低了制作这些培养皿的成本，使得那些寻求经济实惠选择的生育诊所更加青睐于此。

医疗应用一直是3D打印技术的主要应用领域之一。从定制植入物到手术工具，3D打印已经广泛应用于各种医疗设备。现在，借助WOW系统，3D打印技术正进入IVF治疗领域，再次证明了这项技术的价值。