液態(tài)懸浮凝膠3D打印技術(shù)，F(xiàn)RESH支持膠原蛋白、有機(jī)硅和蛋白質(zhì)等材料

南極熊導(dǎo)讀：有限的器官捐贈者、無法支持人體組織生長的醫(yī)療材料以及代價(jià)高昂的藥物測試失敗都是研究人員在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中正面臨的挑戰(zhàn)。3D 打印正在穩(wěn)步成為在這些領(lǐng)域取得進(jìn)展的替代方案，但仍有其局限性，尤其是在工程人體組織方面。



FluidForm 是一家位于馬薩諸塞州的再生醫(yī)學(xué)公司，旨在通過其液體3D打印技術(shù)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。對于許多生物材料，當(dāng)前大多數(shù)3D打印方法和研究都依賴于修改現(xiàn)有材料以使其能夠在空氣中正常打印。該方法的缺點(diǎn)是，它通常會使得材料發(fā)生不希望的化學(xué)或者物理變化。南極熊獲悉，F(xiàn)luidForm開發(fā)了一種稱為懸浮水凝膠的自由形式可逆嵌入 (FRESH) 技術(shù)。FRESH方法沒有改變材料，而是修改了 3D 生物打印環(huán)境。這使得可以使用膠原蛋白、有機(jī)硅和蛋白質(zhì)以及任何液體聚合物樹脂進(jìn)行打印。

FRESH

FRESH 技術(shù)的大部分來自于卡內(nèi)基梅隆大學(xué) (CMU) 的再生生物材料和治療實(shí)驗(yàn)室，由 FluidForm 首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人、生物醫(yī)學(xué)工程和材料科學(xué)教授 Adam Feinberg 提出。2018 年，F(xiàn)einberg的3D打印膠原蛋白核心技術(shù)促成了FluidForm的起步。次年，該公司的概念驗(yàn)證研究發(fā)表在《Science》雜志上。團(tuán)隊(duì)能夠從患者獨(dú)特的MRI中準(zhǔn)確再現(xiàn)心臟的解剖結(jié)構(gòu)。


△FRESH 技術(shù)使膠原蛋白的 3D 打印能夠創(chuàng)建人類心臟的復(fù)雜組件，從小血管到心室。（圖片由 FluidForm 提供。）

FRESH 技術(shù)的工作原理


△FRESH原理示意圖

當(dāng)前的生物打印技術(shù)需要紫外線和高溫。FRESH 通過其 LifeSupport培養(yǎng)液使用天然凝膠化學(xué)（酶促、離子、pH）實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和蛋白質(zhì)的 3D 打印。這種”支持液“能夠在物理上保持軟蛋白質(zhì)和細(xì)胞的位置，使得材料凝固一定的形狀，保證不變形。Bioinks 和其他材料也被注入培養(yǎng)液中，可以確保打印件不會發(fā)生變形或塌陷。與在空氣中打印不同，這種培養(yǎng)液會觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)。打印后，水凝膠被加熱融化。LifeSupport 可以將不同的材料一起打印成任何幾何形狀，而不會影響打印部件的保真度。此外，研究人員可以添加其他蛋白質(zhì)，以確保組織正常發(fā)育，使得創(chuàng)建人體真實(shí)組織變得觸手可及。
Fresh解決人體組織打印挑戰(zhàn)的方法：

1）使用正確的材料：人體的每一個(gè)組織中都有一系列的細(xì)胞和蛋白質(zhì)。細(xì)胞、信號分子和細(xì)胞周圍的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)之間存在著相互依賴的關(guān)系。以往的生物打印機(jī)將材料置于空氣中打印，從而損害了它們的生理性。與傳統(tǒng)生物打印技術(shù)使用的紫外線和高溫不同，Fresh允許FluidForm通過使用身體的凝膠化學(xué)(離子、pH、酶)來打印細(xì)胞和ECM蛋白質(zhì)。這些材料和細(xì)胞不僅可以打印在一起，它們還可以與其他有助于引導(dǎo)組織正常發(fā)育的蛋白質(zhì)一起發(fā)揮功能。


△FRESH材料選擇

2） 使用正確的組裝方法：結(jié)構(gòu)和功能在整個(gè)生物學(xué)中需要高度交織在一起。為了有適當(dāng)?shù)慕M織功能，必須有適當(dāng)?shù)慕M織結(jié)構(gòu)，如肌肉纖維的排列。生物打印機(jī)還必須能夠組裝材料，就像人體從頭開始構(gòu)建材料一樣。Fresh能夠?qū)崿F(xiàn)對空間的控制，以及以高分辨率打印軟可變形材料，而無需修改它們。使用新的、以前不可能打印的化學(xué)物質(zhì)如今已經(jīng)成為可能。這是由于生物墨水-支持浴允許發(fā)生化學(xué)作用，如pH變化，這在空氣中是不可能的。膠原蛋白是人體的主要結(jié)構(gòu)蛋白，現(xiàn)在可以組裝并排列成任何3D形狀。這使得Fresh成為將生理上最相關(guān)的細(xì)胞和材料組裝成任何幾何體的唯一方法。


△與傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的對比

3）開發(fā)正確的功能：3D生物打印的最終目標(biāo)是創(chuàng)建功能組織，而在FluidForm，最中的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)收縮心肌的制造。就像人體組織一樣，工程組織需要具有高細(xì)胞密度才能實(shí)現(xiàn)自然功能。傳統(tǒng)的生物打印機(jī)無法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，主要有兩個(gè)方面。首先，傳統(tǒng)的生物打印機(jī)用添加劑稀釋生物墨水，使其在空氣中更加堅(jiān)硬。其次，與人體組織相比，這些生物墨水的細(xì)胞密度非常低，因?yàn)檫@種材料的很大一部分必須是增稠劑，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制造。Fresh允許生物打印生物墨水，其細(xì)胞密度是傳統(tǒng)生物墨水的十倍以上，打印材料的絕大多數(shù)(>90%)成分是細(xì)胞。最終的結(jié)果是能夠打印出十分密集、排列整齊和巨大的心肌組織，以至于能夠像天然心臟一樣跳動。打印細(xì)胞密度高的材料使FluidForm能夠構(gòu)建組織，為藥物測試和再生醫(yī)學(xué)開發(fā)下一個(gè)級別的功能。


△使用高密度細(xì)胞材料進(jìn)行

4）器官大小的比例：生物打印方法的核心技術(shù)可以從生物制藥組織模型所需的1立方厘米擴(kuò)大到可植入組織所需的1立方米以上。傳統(tǒng)的生物打印機(jī)無法構(gòu)建比郵票更大的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RESH技術(shù)已經(jīng)可以打印一個(gè)完整的心臟模型了。
FluidForm 說：“LifeSupport 可以在一系列緩沖液和細(xì)胞培養(yǎng)基中再水化，以支持多種細(xì)胞類型和特定的生物墨水。”可擴(kuò)展性是FRESH技術(shù)的另一個(gè)特性。許多現(xiàn)有的生物打印機(jī)只能打印像郵票一樣大的東西。作為初步研究的一部分，范伯格和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)模擬縫合線和心臟組織彈性的全尺寸生物打印人體心臟模型。


△圖片由 FluidForm 提供

FluidForm 的 FRESH™ 專利技術(shù)被證明可以：

1. 生產(chǎn)真正功能性跳動的人體心室和心臟瓣膜

2. 將復(fù)雜的分支脈管系統(tǒng)重建到毛細(xì)血管尺度

3. 定制細(xì)胞排列以產(chǎn)生肌肉纖維和組織各向異性

4. 在大型動物研究中促進(jìn)組織再生

5. 制造全尺寸器官

取得醫(yī)療進(jìn)步

自FluidForm公司發(fā)表其研究報(bào)告以來，眾多投資者和醫(yī)療領(lǐng)域的知名人士都注意到了它。

●2021年，F(xiàn)luidForm開始與強(qiáng)生醫(yī)療器械公司Ethicon合作，開發(fā)具有真實(shí)人體組織特征的生物打印組織。

●2022 年 6 月，Hackensack Meridian Health 及其 Bear's Den 創(chuàng)新計(jì)劃宣布投資 FluidForm，以進(jìn)一步推進(jìn)其組織技術(shù)、手術(shù)修復(fù)和藥物發(fā)現(xiàn)。

●FluidForm 還獲得了美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH) 和美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 的資助，并建立了一條生物制造試驗(yàn)線。


△LulzBot 生物打印機(jī)經(jīng)認(rèn)證可使用 FRESH 技術(shù)。（圖片由 Aleph Objects 提供。）

FluidForm 已經(jīng)將其技術(shù)商業(yè)化。Fargo Additive Manufacturing Equipment 3D（前身為 Aleph Objects）于 2019 年推出了其 LulzBot Bio Printer，這是一款獲得 FRESH 認(rèn)證的打印機(jī)。這款開放式硬件機(jī)器與 bioinks 膠原蛋白和其他軟生物材料兼容。其主要目標(biāo)是組織工程、再生醫(yī)學(xué)以及化妝品和藥物測試領(lǐng)域的研究應(yīng)用。CELLINK 還可以在其 BIO X 打印機(jī)上使用 FRESH。使用 FRESH 使組織工程師能夠以更高分辨率和復(fù)雜的幾何形狀進(jìn)行 3D 生物打印。工程師無需花費(fèi)時(shí)間優(yōu)化打印油墨，而是可以跳過該步驟并立即開始打印組織和支架。

未來的行業(yè)應(yīng)用

雖然 FRESH 技術(shù)可能還需要幾年時(shí)間才能獲得食品和藥物管理局 (FDA) 批準(zhǔn)用于實(shí)際植入物，但 FluidForm 表示會繼續(xù)前進(jìn)并磨練其技術(shù)。

●對于其他行業(yè)，尤其是那些需要輕量化應(yīng)用的行業(yè)，如汽車和航空航天，使用輕質(zhì)有機(jī)硅和其他未改性聚合物來創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能具有新的潛力。

●高性能聚合物仍然是一種趨勢。除了更輕、更具成本效益外，它們的生產(chǎn)速度通常更快，并且可以制成更復(fù)雜的形狀。使用傳統(tǒng)的立體光刻 (SLA) 或數(shù)字光處理 (DLP) 打印它們具有所有優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)。這些聚合物通常經(jīng)過改性，需要添加昂貴的顏料，具有低粘度并且不允許多材料打印。FRESH 技術(shù)使用戶能夠使用未經(jīng)改性的各種聚合物和彈性體進(jìn)行打印。這確保了它們保持其自然特性，并且還可以將不同的材料打印在一起。

●熱塑性長絲和樹脂更容易在標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)中使用，但可能不具備所需的熱固性材料質(zhì)量。由于熱固性材料是一種聚合物基材料，因此可以使用 FRESH 進(jìn)行打印。由于它們的交聯(lián)性質(zhì)，熱固性塑料往往更堅(jiān)固、更硬。當(dāng)制造商想要一種能夠抵抗軟化和變形的最終產(chǎn)品時(shí)，就像熱塑性塑料可能會發(fā)生的那樣，F(xiàn)RESH 可能是一個(gè)很有前途的選擇。

●泡沫是另一種難以創(chuàng)造的流行材料。盡管泡沫已在足球頭盔和鞋子等用途中顯示出不錯的前景，但 FluidForm 認(rèn)為其 FRESH 技術(shù)可能會在制造復(fù)雜泡沫方面取得進(jìn)步。該技術(shù)的全方位打印能力意味著它可以制造具有桁架和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的開孔泡沫。增加空隙空間的能力使泡沫更加柔軟，能夠在保持長期機(jī)械性能的同時(shí)調(diào)整彈性和壓縮。

●隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，軟機(jī)器人正成為熱門話題。FRESH 可能會提供新的機(jī)會來創(chuàng)造生物混合材料，從而增強(qiáng)生物傳感器和納米材料的傳感能力。FRESH 還允許進(jìn)行非平面打印——打印具有彎曲層的部件。這種新技術(shù)進(jìn)一步提供了創(chuàng)建獨(dú)特幾何形狀的自由度，包括那些需要各向異性特性的幾何形狀，例如 3D 眼鏡。

南極熊認(rèn)為，F(xiàn)luidForm不斷發(fā)展的技術(shù)值得密切關(guān)注。

生物打印