美国LANL研究人员开发新型生物反应器以增强干细胞生长

导读：3D打印使研究人员能够快速创建支持更好的细胞生长和相互作用的紧凑、高效的设计，从而促进了生物反应器的发展。

△这项研究发表在《自然》杂志上。该紧凑型设备旨在克服传统细胞培养模型的局限性，并能够模拟真实组织环境的复杂性，从而使得细胞分化研究更加实用和精确（传送门）

2025年4月1日，南极熊获悉，洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的研究人员开发了一种3D打印灌注生物反应器 (3D-PBR)，旨在改善人类骨髓间充质干细胞 (MSC) 的生长和分化方式。

在新墨西哥大学（UNM）的帮助下，这款设备还支持与血管细胞的共培养。为了实现这一功能，研究人员采用了Formlabs 3B低力立体光刻（SLA）3D打印机进行制作。设备由生物相容性的树脂制成，该树脂由甲基丙烯酸酯单体和聚氨酯二甲基丙烯酸酯组成。打印完成后，研究人员使用异丙醇仔细清洁各个组件，并在60°C的紫外线下固化30分钟，这一过程不仅确保了结构稳定性，还提高了成像的清晰度。

△完全组装的3D-PBR系统，带有模块化蠕动泵和3D打印细胞培养基储存器

双室设置支持细胞相互作用

这款3D打印设备的创新之处在于它独特的双隔室设计，两个隔室通过一个孔径为0.4 µm的多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜相隔。该膜允许介质在隔室之间传输，同时支持细胞间的相互作用，而保持隔室之间的独立性。

其中一个隔室专为血管细胞设计，配备鲁尔锁端口以控制液体流动，并包含一个尺寸为11.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的矩形通道。另一个隔室则为间充质干细胞（MSCs）设计，拥有一个尺寸为15.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的椭圆形通道。尽管设计复杂，整个系统（包括蠕动泵和3D打印的培养基储存器）的体积却仅限于60立方英寸。

研究人员选择了一种特殊的树脂基聚合物，而非常见的聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者常受到分子吸收和制造限制的影响。这一新方法提供了更高的灵活性和耐用性，能够实现更复杂的结构，更适合各种实验条件。

在实验中，研究团队在胶原蛋白纤维凝胶中培养MSCs，选择这种材料是因为它能提供结构支撑并模拟细胞外基质的环境。他们分别制备了浓度为3.8×10⁴细胞/毫升的凝胶用于骨分化实验，以及2.6×10⁵细胞/毫升的凝胶用于脂肪分化实验。

同时，将人脐静脉内皮细胞（HUVECs）以1×10⁶细胞/毫升的浓度引入血管室，在21天内形成融合单层。为了进一步促进分化过程，研究人员采用了23 µL/min和100 µL/min的流速，已知这些流速有助于促进骨生成条件。

△3D-PBR中血管和MS隔室的组装过程

3D-PBR技术在组织工程中的应用与前景

接下来，研究团队利用荧光显微镜来评估MSCs在3D-PBR中的分化状况。使用了VE-Cadherin、ActinRed™ 555和NucBlue等成像标记物，这些标记物清晰地展示了细胞结构以及相互作用。研究结果显示MSCs的活力高达92%，而HUVECs的活力为91%。

更值得注意的是，与静态培养条件相比，3D-PBR中培养的细胞显示出更显著的分化特征。具体表现为骨细胞结构具有更高的复杂性和成熟度，以及脂肪细胞分化的一致性。

△3D-PBR的µCT扫描

为了确保装置的结构完整性，研究人员进行了µCT扫描，证实了隔间密封性良好，适宜进行长期实验。这一验证步骤对于确认装置设计的可靠性至关重要。

虽然初步实验证明了该装置的生物相容性和促进细胞分化的能力，但仍存在局限性，特别是对血管细胞信号如何影响间充质干细胞（MSCs）生长的分子机制研究不足。此外，由于不同细胞需要不同培养基，目前只能在MSCs分化后引入血管细胞，未来计划开发通用培养基并结合基因表达分析优化培养条件。

展望未来，研究人员相信3D-PBR的紧凑设计、与标准实验室设备的兼容性以及广泛适应性，将使这项技术成为研究骨骼形成、脂肪分化以及其它需要模拟真实环境的组织工程应用的宝贵工具。