3D生物打印新突破！同時滿足高細(xì)胞密度、高細(xì)胞活力、高分辨率三大要求！

當(dāng)3D打印以細(xì)胞、活性分子和生物材為墨水，制造模仿自然組織結(jié)構(gòu)特征的生物醫(yī)學(xué)部件，即可稱之為3D生物打?。?D bioprinting）。通過3D生物打印制造出的器官、組織和仿生產(chǎn)品，不僅可用于器官替換，也可用于藥物篩選或作為器官發(fā)育及病變的體外模型。

簡單來說，擠出式即是用過噴嘴擠出連續(xù)細(xì)絲狀的生物墨水，然后將之沉積在接收底物上堆疊 形成所需的結(jié)構(gòu)。

液滴式則是將獨(dú)立離散地液滴作為基本單元進(jìn)行堆疊，相比于擠出式具有更高的分辨率。

光固化生物打印則是利用光敏聚合物在光照下發(fā)生光聚合的特性進(jìn)行打印的方法。通過精控制光照，光固化生物打印能夠以相較于其他生物打印方法更高的分辨率和打印速度進(jìn)行打印，且不必?fù)?dān)心噴嘴堵塞，或剪切應(yīng)力影響細(xì)胞活力。

根據(jù)光掃描方式的不同，光固化式生物打印可進(jìn)一步分為立體光刻（stereolithography，SLA）和數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）。不同于SLA的逐點(diǎn)固化，DLP是一次性固化一個完整平面，對于設(shè)備結(jié)構(gòu)的要求更簡單，打印速度更快，成型精度更高，均一性更好，因此備受學(xué)術(shù)界的關(guān)注。 具體來說，DLP是3D模型的2D橫截面投影信號經(jīng)過數(shù)字處理后，在數(shù)字微鏡元件（Digtial Micromirror Devices，DMD）上形成掩膜，當(dāng)紫外光透過DMD形成二維圖案，就能與溶解的自由基光引發(fā)劑相互作用使生物墨水固化成特定圖案，移動打印平臺讓未固化的生物墨水填充下一個截面，則可以重復(fù)該過程，“逐層”將3D結(jié)構(gòu)打印出來。

然而，3D生物打印技術(shù)還有很大進(jìn)步空間。天然人體組織的細(xì)胞密度通常為每毫升1到30億個細(xì)胞，并且具有復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)和微米級的精細(xì)特征。如要達(dá)到較高的細(xì)胞密度，對于擠壓式打印，則需要使用口徑更大的噴嘴來減少細(xì)胞在擠壓過程中受到的剪切應(yīng)力，否則將會影響細(xì)胞活力，這就導(dǎo)致了分辨率的降低。對于光固化式打印，較高的細(xì)胞密度將引起光散射效應(yīng)，同樣限制了分辨率的提高。因此，在3D生物打印技術(shù)中，存在著細(xì)胞密度（≥2000萬個細(xì)胞/ml）-細(xì)胞活力

此外，脈管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對于組織和器官營養(yǎng)和氣體的交換至關(guān)重要，能否在3D工程組織內(nèi)制造出脈管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，決定了3D工程組織的厚度極限，乃至能否生成可移植器官，然而，上述三難困境阻礙了該脈管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。 近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校的一組研究人員取得重大進(jìn)展，解決了3D生物打印的三難困境，所用技術(shù)同時滿足了高細(xì)胞密度、高細(xì)胞活力和精細(xì)制造分辨率三大關(guān)鍵要求。

為了解決光固化式打印中的光散射問題，研究人員修改了生物墨水的配方，使用了一種名為碘克沙醇的造影劑，使得生物墨水的折射率與細(xì)胞質(zhì)的折射率相匹配，減少封裝細(xì)胞引起的光散射至原有的1/10，從而實(shí)現(xiàn)打印的高細(xì)胞密度和高分辨率。 結(jié)果表明，生物墨水添加碘克沙醇后，并未引起細(xì)胞活力、增殖或表型的統(tǒng)計學(xué)變化。使用折射率匹配的甲基丙烯酸明膠生物墨水，實(shí)現(xiàn)了50μm特征尺寸、1億個細(xì)胞/ml的精細(xì)打印。

研究人員還利用該改良的生物墨水打印了一個厚度較大的（17mm x 11mm x 3.6mm）預(yù)血管化組織結(jié)構(gòu)，其中的中空血管通道的直徑范圍為250至600μm。經(jīng)過14天的灌注培養(yǎng)后，觀察到血管腔的內(nèi)皮化和血管生成，且組織中66%的細(xì)胞存活，證明細(xì)胞在這種厚度較大的組織中仍然保有很高的活力，3D打印出的脈管系統(tǒng)增強(qiáng)了厚組織的生存能力，避免了壞死。

研究的通訊作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系教授Shaochen Chen表示，研究團(tuán)隊將繼續(xù)優(yōu)化材料系統(tǒng)和功能性厚組織制造的生物打印參數(shù)，以完成下一步精確結(jié)構(gòu)、高細(xì)胞密度體外組織模型的開發(fā)，提高組織學(xué)和功能的重建水平，實(shí)現(xiàn)人體的器官移植和替換。