科學(xué)家開發(fā)微流控3D生物打印技術(shù)，可以更好地復(fù)制細(xì)胞結(jié)構(gòu)

2022年4月28日，南極熊獲悉，美國史蒂文斯理工學(xué)院的一個(gè)研究小組目前正致力于開發(fā)一種基于微流控技術(shù)的生物打印方法。據(jù)悉，這種微流控生物打印是一種操縱具有微米級特征的液體的技術(shù)。它有趣的地方在于，這個(gè)項(xiàng)目將使研究人員有能力在比以前更小的范圍內(nèi)工作，甚至可以創(chuàng)造任何類型的人體組織。研究人員可以非常精確地復(fù)制人體細(xì)胞的生物特征，從而推進(jìn)器官移植等工作。

在羅伯特-張教授的領(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，以加速微流控生物打印并實(shí)現(xiàn)器官開發(fā)。根據(jù)美國衛(wèi)生和人類服務(wù)部衛(wèi)生資源和服務(wù)管理局的移植司（DoT）的數(shù)據(jù)，目前全國有105,940人在等待移植。缺乏可供移植的器官對全國人民來說是致命的，而這個(gè)問題有可能因?yàn)?D打印而得到解決。正如你可能知道的那樣，生物打印能夠復(fù)制定制的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)皮膚甚至器官等的創(chuàng)造。盡管我們離獲得3D打印的心臟或功能齊全的腎臟還很遠(yuǎn)，但正如這一最新進(jìn)展所清楚表明的，進(jìn)步是真實(shí)的。

△微流控技術(shù)是一門操縱具有微米級特性的液體的科學(xué)

這個(gè)美國團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的研究可能會使生物打印領(lǐng)域的格局發(fā)生變化，尤其是它是基于微流控技術(shù)的。市場上的其他3D生物打印機(jī)主要是基于擠壓技術(shù)，即逐層擠壓油墨，厚度約為200微米。然而，由于有了微流控生物打印技術(shù)，它將有可能縮小到只有幾十微米，并以這種方式擁有更接近于細(xì)胞本身的規(guī)模。

羅伯特-張解釋說。"創(chuàng)造新的器官，在不需要人類捐贈者的情況下拯救生命，這對醫(yī)療保健行業(yè)來說將是一個(gè)巨大的好處。然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是很棘手的，因?yàn)槭褂蒙�物墨水（充滿培養(yǎng)細(xì)胞的水凝膠）打印器官需要對打印的微纖維的幾何形狀和尺寸進(jìn)行一定程度的精細(xì)控制，而目前的3D打印機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)。"

通過盡可能接近人體細(xì)胞的規(guī)模，該團(tuán)隊(duì)將能夠重現(xiàn)每個(gè)細(xì)胞的更詳細(xì)的生物特征。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)微流控打印頭的計(jì)算機(jī)模型，以控制諸如流速和流體動力學(xué)等參數(shù)。這個(gè)模型使其能夠修改生物打印結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。最重要的是，它提供了混合幾種生物墨水的可能性，因此也提供了混合幾種類型細(xì)胞的可能性，以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的器官。

△目前的3D生物打印機(jī)主要基于擠壓工藝（圖片來源：Département06-Xavier Giraud）。

BICO的Bio X 3D生物打印機(jī)，一個(gè)基于擠壓的系統(tǒng)。照片來自BICO。

到目前為止，研究人員說他們已經(jīng)用3D打印的支架打印了水囊。但通過結(jié)合多種生物墨水，他們希望能走得更遠(yuǎn)。Robert Chang總結(jié)說："能夠在這種規(guī)模下操作，同時(shí)精確混合生物墨水，使我們有可能復(fù)制任何組織類型。這項(xiàng)技術(shù)仍然很新，我們不知道它能實(shí)現(xiàn)什么，但我們知道它將打開創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)和重要新型生物應(yīng)用的大門。"

△微流控打印頭建模的示意圖和數(shù)值建模參數(shù)，圖片來自Stevens IoT。