中國科學家研發(fā)4D 打印工具，實現(xiàn)細胞組織切片檢測的批量處理

來源：DeepTech深科技

他叫  楊辰，今年 33 歲，博士畢業(yè)于羅格斯大學機械工程系，研究 4D 打印方向，本碩均畢業(yè)于香港科技大學。和很多博士的畢業(yè)選擇不同的是，祖籍北京的他在博士畢業(yè)后，選擇來到中國制造業(yè)“高地”——深圳市，做了一名機械設(shè)計工程師。

△圖 | 楊辰（來源：楊辰）

在其博士畢業(yè)之前，他的一篇論文以《用于高通量 3D 細胞培養(yǎng)和組織學的 4D 打印可變形管陣列》（4D-Printed Transformable TubeArray for High-Throughput 3D Cell Culture and Histology）為題，發(fā)表在 Advanced Materials 上[1]。

△圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）

研發(fā) TTA 的 4D 打印工具，實現(xiàn)細胞組織切片檢測的批量處理
該研究通過 4D 打印的一個名為 Transformable Tube Array（TTA）的工具，來實現(xiàn)從三維細胞培養(yǎng)、到細胞組織切片檢測的批量處理。從而達到加速與三維細胞培養(yǎng)相關(guān)的藥物篩選、新藥開發(fā)、疾病模型、以及個性化藥物等方面的研究周期。

楊辰表示，比起傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)，三維細胞培養(yǎng)是將提取出的細胞在體外培養(yǎng)研究的一種方式，后能更好地還原出細胞在生物體內(nèi)的狀態(tài)，因此該領(lǐng)域備受重視。

目前，三維細胞的批量培養(yǎng)已經(jīng)實現(xiàn)，常見的是通過使用 96 孔板。而在檢測時，細胞組織切片檢測（Histology）是比較常用的手段，它指的是通過將細胞取材、固定、脫水、包埋、切片、染色、再進行顯微鏡觀察，以從不同高度的切片中還原三維細胞結(jié)構(gòu)中的組織與結(jié)構(gòu)特性。

而從 96 孔板轉(zhuǎn)移出培養(yǎng)的三維細胞，一般需要人工逐個完成，而且轉(zhuǎn)移細胞組織時，需要很精細的操作。轉(zhuǎn)移后的后續(xù)步驟里，包埋、切片等也同樣需要一個個進行。

從轉(zhuǎn)移到檢測的過程非常耗時耗力，比起批量的細胞培養(yǎng)技術(shù)，后續(xù)檢測的批量化處理技術(shù)明顯不足。

楊辰所在實驗室的主要研究方向是 4D 打印，也就是 3D 打印出可變形且性能可變的器件或結(jié)構(gòu)，在第四個維度（時間）上實現(xiàn)設(shè)計好的變化。所以他們設(shè)想，利用 4D 打印可變形的 96 孔板嵌套器件，并將其命名為 TTA。在后續(xù)轉(zhuǎn)移和切片時，讓 TTA 帶著所有三維細胞樣品一起進行，從而達到批量處理的效果。

△（來源：Advanced Materials）

楊辰說，該課題的立項是從一家生物公司的招標項目開始，他們提出的需求就是解決三維細胞檢測過于耗時耗力的問題。

研究中，他們組通過 4D 打印可變形工具 TTA 來解決的方案得到了這家公司的認可，這時項目就算立項了。有了項目之后，楊辰和導(dǎo)師一起分析關(guān)鍵難點。

在機械設(shè)計中，96 孔板的尺寸是后續(xù)切片檢測時要求的樣品大小 3.6 倍，所以轉(zhuǎn)移時需要保證維持 96 孔板培養(yǎng)時的排布，同時要能把整個結(jié)構(gòu)尺寸縮小 70%。之后，三維細胞組織就會和 TTA 一起切片處理。

在材料上，細胞培養(yǎng)則需要 TTA 具備生物相容性。另外，TTA的變形也需要可控，當需要配合 96 孔板時，它需要維持在大尺寸，當需要切片時，它需要變小并維持在小尺寸。而這個可控性是機械設(shè)計和材料共同決定的。

找到了難點，之后就是尋找解決難點的方向。楊辰博士期間的主要研究方向是 4D 打印形狀記憶聚合物，這種形狀記憶聚合物的特點是可以在低溫時維持變形，而高溫時回復(fù)打印形狀，而這恰恰十分符合可控性。

材料大方向定了以后，就得考慮如何設(shè)計材料以達到需要的屬性，而這些都是器件的應(yīng)用場景所決定的，比如生物相容性、觸發(fā)變形的溫度（為保證細胞培養(yǎng)時的定型，高溫變形時必須保證細胞組織結(jié)構(gòu)不會被損壞）、材料強度（嵌套器件可操作性）、以及斷裂伸長率（3.6 倍整體尺寸變形時不發(fā)生斷裂）等方面。

材料設(shè)計基本確定了，機械設(shè)計的要求也就慢慢清晰了，論文中設(shè)計出的三維螺旋結(jié)構(gòu)，正是結(jié)合各種需求和限制所產(chǎn)出的結(jié)果。

到這里，TTA 已經(jīng)具備雛形，接下來就是測試用于細胞的培養(yǎng)和后續(xù)的切片。由于這里不是楊辰的專業(yè)領(lǐng)域，所以他開始和團隊中的生物化學博士生、以及病理學專家展開合作實驗。

這時，楊辰的職責就變成了解他們現(xiàn)有的流程，并為 TTA 設(shè)計出能相配合的使用方案。期間當然也少不了再對機械設(shè)計，材料后處理及打印工藝上進行改善優(yōu)化。

跨領(lǐng)域合作項目，往往也意味著高難度，對此他深有感觸。

他說：“其實，測試過程才是項目中耗時最長，而且難度最大的階段，因為每個人都要解決很多以前不曾面對過的問題并在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上做出創(chuàng)新�！�

舉個簡單的例子，如何對打印完的 TTA 進行材料后處理以達到生物相容性并且完全不影響細胞的培養(yǎng)，是他和合作者都沒有面對過的問題。期間出現(xiàn)過后處理后 TTA 導(dǎo)致細胞大量死亡，少量死亡，前幾天沒事然后細胞突然就死了，也出現(xiàn)過 TTA 導(dǎo)致細胞過量增長的情況。

“我們也是研究實驗了很久才找到合適的后處理方法�！睏畛奖硎�。

從開始合作實驗以后，他每天要在三個地方跑來跑去。

得去生物化學博士生的實驗室里，跟對方一起觀察 TTA 的使用情況以及細胞的反應(yīng)，根據(jù)觀察的情況討論解決方案；接著，又要去病理學專家那里，帶著TTA和培養(yǎng)的細胞，研究在已經(jīng)相對成熟的細胞組織檢查流程中實現(xiàn)批量化處理。

期間，楊辰和合作者需要相互理解各方的專業(yè)，也需要想盡辦法從各個角度類解決碰到的問題。

（來源：Advanced Materials）

項目后期，由于疫情的原因，學校封校了半年左右。后來即使可以返校做實驗了，工作時間、效率以及流動性也非常受限制，讓合作難度提高了許多。楊辰回顧稱：“當時這個項目還有一些讓 TTA 測試結(jié)果更為完整也更有說服力的實驗沒有做完，也是有一些遺憾吧�！�

可加速藥物篩選、新藥開發(fā)的周期
在論文發(fā)表的同時，楊辰和團隊也申請了專利，后續(xù)如果有合適的機會，可以把TTA做成產(chǎn)品。

如前所述，該工作是為了加速與三維細胞培養(yǎng)相關(guān)的藥物篩選、新藥開發(fā)、疾病模型、以及個性化藥物等方面的研究周期。而研究周期的加快，對于各種疾病的攻克、以及面對大流行病時的快速應(yīng)對都有積極意義。

楊辰是北京人，生于 1988 年。本科就讀于香港科技大學機械工程系，之后又讀了一年并獲得機械工程理學碩士學位。去了美國留學后，便一直在羅格斯大學讀書。

他說：“讀博士期間還是有點曲折的，中間換過一個組。我在第一個組做的是一種新的利用離心力的零損耗涂覆工藝，剛開始還是挺有興趣的，也做完了第一個項目并發(fā)表了論文。但是規(guī)劃后續(xù)方向時，覺得再繼續(xù)深入做下去對我不太有吸引力了。經(jīng)過一段時間的調(diào)研和思考，換到了做 4D 打印的組，然后就一直研究了下去并拿到了博士學位�！�

這幾年，4D 打印是個非常熱門的研究方向，他還記得導(dǎo)師（Howon Lee）說過這個方向熱度高，很容易提高研究成果的影響力，同時競爭者也多，做不好就容易被淘汰。

所幸這幾年做下來沒有被淘汰，不過也確實經(jīng)歷過幾次剛有了想法并實驗了一下，其他課題組想法相似的論文就發(fā)表出來的情況。

當時加入 4D 打印課題組時，楊辰的導(dǎo)師是助理教授的第二年，實驗室也屬于初創(chuàng)階段。剛開始幾年，全組花了不少時間在建設(shè)和摸索上，也承受著不小的壓力。

后來，楊辰慢慢才認識到，4D 打印看似是機械范疇，但它同樣牽扯到大量的材料和有機化學知識。經(jīng)過前面的摸爬滾打以后，他終于也做出了一些成果。

比如 2019 年發(fā)表在 Materials Horizons 的論文《4D 打印可重構(gòu),可部署和機械性能可調(diào)節(jié)的超材料》（4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials）[2]，被評為Materials Horizons 2019 Outstanding Article。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Materials Horizons）

博士畢業(yè)后，楊辰回國到了深圳，獲得了深圳市海外高層次“B類”人才的認定并入職了深圳摩方新材科技有限公司，擔任設(shè)備研發(fā)機械工程師。摩方主要是做面投影微立體光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）的 3D 打印機、3D 打印材料、以及終端產(chǎn)品的研發(fā)。公司擁有全球領(lǐng)先的超高打印精度，高精密的加工公差控制能力。

他說：“PμSL 是我博士期間一直學習研究并使用的一種微納級精度 3D 打印技術(shù)，因此我對這個技術(shù)的發(fā)展前景還是非常看好的，也想為這個技術(shù)的發(fā)展推廣做出貢獻�！�

參考：
1、Yang C, Luo J, Polunas M, et al. 4D‐Printed TransformableTube Array for High‐Throughput 3D Cell Culture and Histology[J]. Advanced Materials, 2020, 32(40): 2004285.
2、Yang C, Boorugu M, Dopp A, et al.4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials[J]. Materials Horizons, 2019, 6(6): 1244-1250.