Stevens開(kāi)發(fā)微流體打印計(jì)算模型，為3D打印生物器官開(kāi)辟新道路

南極熊導(dǎo)讀，人體器官移植為重病患者提供了一條至關(guān)重要的生命線，但可供移植的器官太少：僅在美國(guó)，目前就有超過(guò)112000人在等待器官移植。3D打印器官是其未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。但它的發(fā)展充滿了復(fù)雜性和技術(shù)障礙，限制了可以打印的器官類型。

△基于微流控的生物打印系統(tǒng)，( a ) 微流控打印頭的通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，( b ) 整個(gè)生物打印系統(tǒng)的設(shè)置。圖片來(lái)自Stevens Institute

2022年4月14日，南極熊獲悉，Stevens Institute理工學(xué)院的研究人員正在通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析模型來(lái)克服這些障礙。這項(xiàng)工作由史蒂文斯謝弗工程與科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系副教授 Robert Chang 領(lǐng)導(dǎo)，他宣稱通過(guò)他們的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，可以為3D打印制造出任何類型的器官開(kāi)辟新途徑，甚至直接在開(kāi)放性傷口上打印皮膚。

“在不需要人類捐贈(zèng)者的情況下，創(chuàng)造新的器官來(lái)挽救生命，將對(duì)生物醫(yī)療發(fā)展帶來(lái)巨大的好處，”Robert Chang說(shuō)，他的學(xué)術(shù)研究已發(fā)表在4月的《科學(xué)報(bào)告》雜志上�！盀榱诉_(dá)到這個(gè)目標(biāo)是很棘手的，因?yàn)槭褂蒙�物墨水打印器官，需要�?duì)打印的超細(xì)纖維形狀和尺寸進(jìn)行一定程度的精細(xì)控制，這是目前3D打印機(jī)暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的�！�

基于微流體的生物打印參數(shù)對(duì)微纖維幾何結(jié)果影響的數(shù)值分析。科學(xué)報(bào)告，2022；12 (1) DOI: 10.1038/s41598-022-07392-0

Chang和他的團(tuán)隊(duì)，希望通過(guò)一種新的3D打印工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，該工藝使用微流體，通過(guò)微小通道精確操縱液體，對(duì)比現(xiàn)有的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的操作�！八麄兊倪@項(xiàng)研究旨在通過(guò)提高微流體生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造微組織和微纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備可控及可預(yù)測(cè)性，”Zaeri說(shuō)。

目前大多數(shù)3D生物打印機(jī)都是基于擠壓工藝，從噴嘴中噴出的生物墨水大約為200微米——大約是意大利面條的十分之一寬。基于微流體可以打印出同單細(xì)胞等同大小的生物對(duì)象（僅有十微米）。

△3D生物打印示意圖。圖片來(lái)自Google

除了更加精細(xì)的操作，將微流控打印頭結(jié)合到生物打印中。微流體還可以使用多種生物墨水（每種包含不同的細(xì)胞和組織前體），可在單個(gè)打印結(jié)構(gòu)中互換使用，這與傳統(tǒng)打印機(jī)將彩色墨水組合成單個(gè)圖像的方式非常相似。

這點(diǎn)非常重要，雖然研究人員已經(jīng)通過(guò)在3D打印支架上來(lái)創(chuàng)建簡(jiǎn)單的器官，如膀胱，但更復(fù)雜的器官，如肝臟和腎臟，需要精確組合許多不同的細(xì)胞類型。如“需要更精細(xì)的操作，同時(shí)精確混合生物墨水，才能復(fù)制出任何類型的組織，”Chang 說(shuō)。

△海藻酸鈣的液滴形成和微滴頻率預(yù)測(cè)。圖片來(lái)自Stevens Institute

為實(shí)現(xiàn)以上3D生物打印，需要準(zhǔn)確的了解不同的工藝參數(shù)（如通道結(jié)構(gòu)、流速和流體動(dòng)力學(xué)），它們是如何影響打印的生物結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，Chang的團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)模型能夠預(yù)測(cè)結(jié)果，而無(wú)需進(jìn)行額外的人工實(shí)驗(yàn)。Zaeri說(shuō)。

Chang正在使用基于微流體的打印頭的設(shè)計(jì)和數(shù)值評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)受控的微纖維擠出，用于生物打印功能分級(jí)的組織結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究工作的結(jié)果可用于打印組合的多種細(xì)胞類型的生物墨水，這種生物墨水還可以復(fù)制具有梯度幾何和組成特性的組織（骨骼和肌肉的交叉點(diǎn)）。

Chang還在探索使用微流體3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)原位生成皮膚和其他組織，使患者能夠?qū)⑻娲�皮膚組織直接打印到傷口上。他說(shuō):“這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，我們還不知道它還能實(shí)現(xiàn)什么�！钡�我們知道，該項(xiàng)技術(shù)非常重要，為未來(lái)3D生物醫(yī)療發(fā)展奠定基礎(chǔ)。