新型生物3D打印技术将构建人体组织速度提高10倍

2024年12月5日，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种新型生物3D打印技术，能够在伤口上直接打印组织，显著提高了组织生成的速度和效率。该研究成果已在《自然通讯》上发表，并展示了加速组织生物打印的关键因素——微小细胞簇球状体的使用。

△研究题目为“用于可扩展组织制造的球体高通量生物打印”（传送门）

在组织工程中，精确地排列每个细胞以模仿人体内的组织结构一直是一个挑战。此外，传统的3D生物打印技术在打印过程中对细胞的损伤也是一个问题。然而，研究人员通过使用球状体，更接近人体内细胞密度的微小细胞簇，克服了这些障碍。

此研究的合著者、工程科学与力学、生物医学工程和神经外科教授Ibrahim Ozbolat将这种新技术比作用细胞作为“砖块”，用生物墨水作为“砂浆”来建造一堵墙。他强调，这项技术能够以前所未有的速度实现高细胞活力的组织生物打印。

Ozbolat教授在声明中表示：“这项技术不仅显著提高了组织生物打印的速度，而且保持了高细胞活力，这在现有的高通量生物打印技术中是前所未有的。”

△HITS-Bio能够直接在伤口上进行生物打印

高通量生物打印技术HITS-Bio

早些时候，Ozbolat和同事发明了一种辅助抽吸生物打印系统，该系统利用移液器尖端提起、转移和定位单个细胞球体，形成有利于细胞自组装和生长为固体组织的结构。然而，这种渐进式过程导致工程师需要数天时间才能制造出一立方厘米的材料。

进一步的研究和分析促使Ozbolat团队开发出了这种被称为生物打印高通量集成组织制造系统（HITS-Bio）。与手动组装不同，HITS-Bio采用了一个四乘四的移液器喷嘴阵列，这些喷嘴通过数字控制在三维空间中移动，能够同时处理多个球体。多喷嘴工具一次最多可以处理16个球体，将它们精确地移动到生物墨水基底中的指定位置。通过这种方式，HITS-Bio显著加快了3D生物打印细胞结构的速度。

△HITS-Bio工艺示意图

Ozbolat解释说：“这使得我们能够快速构建可扩展的结构，速度比现有技术快10倍，并且能保持90%以上的细胞活力。”

研究人员进行了两项独立实验以展示新技术的能力。在第一个实验中，团队使用HITS-Bio从约600个能够分化成软骨的细胞球体制作了一个一立方厘米的块。HITS-Bio在不到40分钟内完成了球体样本的制作，而无需花费数天时间。

在另一项实验中，Ozbolat和同事们首次使用HITS-Bio将含有球状体的生物墨水直接注入老鼠头骨上的伤口中。利用microRNA技术控制基因表达，研究人员引导球状体分化成真正的骨骼。术后约六周，伤口几乎完全愈合。这也证明了这项技术在将来的实际应用蕴含巨大潜力。

未来，研究人员下一步希望扩大HITS-Bio方法的规模，以处理更复杂的组织，可能通过增加更多喷嘴来实现。如果他们能解决如何结合血管细胞打印的问题（这对于临床和外科手术中可行的移植组织至关重要），团队相信这项技术未来甚至可能帮助打印整个器官，例如肝脏等。