内华达大学金翼飞教授团队《PNAS》：浸入式3D打印多尺度人体组织和器官模型

来源：EFL生物3D打印与生物制造

生物3D打印技术是实现功能性复杂人体组织和器官构建的最有潜力的技术方案之一。近年来所提出的浸入式墨水书写（EIW）技术被认为是生物3D打印的一个重要子技术。人体组织和器官通常具有多尺度功能特征尺寸。但目前的EIW方法能够打印的组织/器官功能特征尺寸仍限制在百微米到十毫米的量级。这一技术难题主要归因于当前屈服应力流体固有且较差的流动特性，使得在打印过程中难以按需添加支撑浴材料，打印结束后很难移除剩余的支撑浴材料，从而限制了打印结构的尺度范围。

近期，美国内华达大学雷诺分校机械工程系Yifei Jin教授课题组与大连理工大学机械工程学院赵丹阳教授团队、内布拉斯加大学医学中心Bin Duan教授团队、爱荷华州立大学工业与制造系统工程系Yiliang Liao教授团队及中国医科大学柴广睿教授团队合作，针对多尺度复杂组织/器官体外精准制造这一长期困扰生物3D打印领域的难题，提出了多尺度浸入式打印 [multiscale embedded printing (MSEP)] 策略，并利用EFL品牌的挤出式生物3D打印机（EFL-BP6601）成功构建了具有微米级表面粗糙度的眼角膜结构，毫米级特征尺寸的同质、异质眼球和主动脉瓣膜结构，以及分米级的全尺寸人类心脏模型，有效验证了MSEP技术在构建多尺度人体组织/器官领域的巨大潜力。博士研究生张诚和华伟健为该论文第一作者。相关工作“Multiscale Embedded Printing of Engineered Human Tissue and Organ Equivalents”发表于美国国家科学院官方学术期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)》。

图1 MSEP方法示意图及未来应用前景。

高精度角膜结构打印
本文提出了一种动态层高控制策略，优化了挤出式生物3D打印过程中由于逐层叠加而产生的表面阶梯现象，从而实现高精度结构的打印。通过动态调整层高的方法，不同角度下3D打印的结构表面粗糙度可以保持一致。同时，研究发现，打印丝的重叠比例对表面粗糙度也会造成一定影响，通过调节重叠比例值可以实现打印结构表面粗糙度的进一步优化。本文利用该动态层高控制策略成功打印了具有微米级表面粗糙度的角膜结构。

图2 动态层高控制策略示意图和打印的微米级表面粗超度角膜。

具有毫米级特征尺寸的眼球和主动脉瓣打印
本研究采用MSEP技术，成功实现了眼球和主动脉瓣结构的3D打印。如图3所示，异质眼球的不同部分由PEGDA/NaAlg和GelMA两种生物墨水分别组成。主动脉心脏瓣膜具有较好的结构精度和力学性能。由于所使用的支撑浴材料具有良好的温敏特性，在低温下可以通过后处理将残余支撑浴从打印结构中完全去除，不会对结构精度和完整性造成影响。

图3 眼球与心脏瓣膜打印。

全尺寸人体心脏模型打印
最后，本研究通过全尺寸心脏模型的打印，验证了MSEP技术可以有效构建大尺寸人体组织和器官。打印过程充分利用了支撑浴材料的温敏特性，通过逐次添加低温支撑浴材料，实现了短针头分步打印大尺寸人体器官，最大程度地减少了由于针头过长而导致的细胞损伤。总体而言，MSEP技术为未来载细胞打印提供了有效的技术支持，为组织工程和器官移植领域的发展提供了新的可能性。

图4 全尺寸人体心脏模型打印。

文章来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2313464121