UMC UTRECHT 的研究人員在體積生物打印方面取得了重大創(chuàng)新

南極熊獲悉，UMC Utrecht的科學(xué)家在體積生物打印方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新。 生物打印是活細(xì)胞和組織的 3D 打印，是一種增材制造技術(shù)，具有醫(yī)療應(yīng)用潛力。然而，3D 打印活細(xì)胞和組織面臨著許多挑戰(zhàn)。



UMC Utrecht 研究人員在該領(lǐng)域取得了三項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展，希望這些進(jìn)展將有助于擴(kuò)大 3D 生物打印的臨床應(yīng)用：

●在3D打印細(xì)胞中創(chuàng)建生物功能區(qū)域；
●使用顆粒凝膠優(yōu)化 3D 生物打印細(xì)胞；
●將體積生物打印與熔體電寫(xiě)相結(jié)合3D打印血管。   

具有生物功能區(qū)域的3D打印細(xì)胞


原文下載地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admt.202300026

這一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新與 3D 打印細(xì)胞的生物功能有關(guān)。將體積生物打印與專用凝膠結(jié)合使用，可以在幾秒鐘內(nèi)將細(xì)胞打印出來(lái)。然而，傳統(tǒng)的 3D 生物打印方法不允許對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行精確操作和準(zhǔn)確放置在需要它們的地方。此外，無(wú)法對(duì)凝膠進(jìn)行編輯以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的發(fā)育、生長(zhǎng)和特化。  研究人員致力于在初始3D生物打印過(guò)程后對(duì)3D打印材料進(jìn)行化學(xué)變化。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員編輯了凝膠的孔隙率以及與凝膠中其他分子結(jié)合的內(nèi)部化合物。

研究人員使用體積打印機(jī)打印基于明膠的結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)將這些結(jié)構(gòu)注入生物分子和光引發(fā)劑，可以在明膠結(jié)構(gòu)內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 模型。這使得體積3D生物打印組織成為可能，這些組織可以“涂”入其中的生長(zhǎng)因子或生物活性蛋白。論文作者Falandt認(rèn)為這是創(chuàng)建可生化編輯的智能材料的重要一步，對(duì)于創(chuàng)建可以指導(dǎo)細(xì)胞行為和發(fā)育的生物制造支架非常有前途。

使用顆粒狀凝膠進(jìn)行 3D 生物打印優(yōu)化細(xì)胞


原文下載地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.17.541111v1

3D 打印的細(xì)胞需要特別注意，以確保它們能夠生存和茁壯成長(zhǎng)。此外，細(xì)胞能夠生長(zhǎng)、移動(dòng)和交流至關(guān)重要。擠出 3D 打印允許大量沉積各種細(xì)胞類型。然而，這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，依賴于重力，并且會(huì)對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械應(yīng)力。雖然體積生物打印不具備速度或重力依賴性的缺點(diǎn)，但它確實(shí)隨機(jī)分布細(xì)胞，并且數(shù)量很少。此外，細(xì)胞無(wú)法有效運(yùn)作和溝通。因此，必須使用軟水凝膠等材料，它們可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的自我組織和交流。然而，傳統(tǒng)的軟水凝膠在 3D 打印分辨率和形狀保真度方面存在問(wèn)題，為此，研究人員使用顆粒狀樹(shù)脂來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。

論文的第一作者Davide Ribezzi表示：“顆粒凝膠基本上是緊密堆積在一起的凝膠微�？梢栽O(shè)計(jì)和定制填充的微凝膠顆粒，具有廣泛的附加特性。”在擠出3D打印過(guò)程中，細(xì)胞和其他化學(xué)物質(zhì)可以快速準(zhǔn)確地沉積在樹(shù)脂中。然后使用體積 3D 打印通過(guò)在擠壓細(xì)胞周圍創(chuàng)建形狀來(lái)完成該過(guò)程。   對(duì)細(xì)胞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)，顆粒狀樹(shù)脂在打印后具有更多的生物活性。在 3D 打印后的八天內(nèi)，干細(xì)胞能夠擴(kuò)散得更多，上皮細(xì)胞產(chǎn)生更多的連接，神經(jīng)元樣細(xì)胞建立更多的連接。     

   
△復(fù)雜的共培養(yǎng)模型包含兩個(gè)不同的 iβ 細(xì)胞組（用不同的熒光親脂性膜染料染色），嵌入具有中央通道的體積打印結(jié)構(gòu)中。

合并生物打印技術(shù)以獲得更強(qiáng)壯的功能性血管


原文下載地址：https://doi.org/10.1002/adma.202300756

由于體積生物打印使用對(duì)細(xì)胞友好的凝膠，因此最終的 3D 打印結(jié)構(gòu)通常很脆弱。這在生產(chǎn)需要承受高壓和彎曲的血管時(shí)會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。因此，研究人員將體積生物打印與熔體電寫(xiě)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出更堅(jiān)固、更耐用的結(jié)構(gòu)。熔體電寫(xiě)使用細(xì)長(zhǎng)的熔融塑料絲來(lái) 3D 打印復(fù)雜而堅(jiān)固的支架。然而，由于涉及高溫，電寫(xiě)不能直接 3D 打印電池。

為了解決上述問(wèn)題，研究人員使用體積生物打印以將載有細(xì)胞的凝膠固化到支架上。將 3D 打印的管狀支架浸入一小瓶光敏凝膠中，然后放入體積打印機(jī)中。然后 3D 打印機(jī)的激光可以選擇性地將凝膠固化到支架上。


△用 20、40 或 60 層熔體電寫(xiě)支架強(qiáng)化體積打印管的效果。

研究人員測(cè)試了各種支架厚度和生物打印凝膠的不同位置，還 3D 打印了一個(gè)原理性的血管，它有兩層干細(xì)胞，中間有一層上皮細(xì)胞。這種設(shè)計(jì)允許在 3D 打印的側(cè)面包含孔，從而為控制血管的滲透性提供了可能性。還生產(chǎn)了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括叉形血管和帶有靜脈瓣膜的血管。   該研究的第一作者 Gabriël Größbacher 評(píng)論道“這是原理研究的證明。我們現(xiàn)在需要做的是用作為真實(shí)血管一部分的功能細(xì)胞替換干細(xì)胞�！�


△帶有上皮細(xì)胞（紫色）和兩種類型的干細(xì)胞（藍(lán)色、黃色）的生物打印血管的橫截面，以模擬血管壁的層。

3D生物打印的發(fā)展  

近十年來(lái)，3D生物打印變得越來(lái)越火熱，已從專門(mén)用于學(xué)術(shù)研究的3D生物打印系統(tǒng)擴(kuò)展到一個(gè)商業(yè)化領(lǐng)域。目前，生物打印系統(tǒng)的硬件能力不斷提高、商業(yè)化、材料標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)明顯�？梢哉f(shuō)，生物打印行業(yè)的各個(gè)方面都蓬勃發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新，在市場(chǎng)中開(kāi)拓出一番天地。

2023年2月，3D Systems宣布了再生組織計(jì)劃 (RPT) 的計(jì)劃，以開(kāi)發(fā)和商業(yè)化生物打印的人體組織。第一個(gè) RPT 是患者特異性再生乳腺組織 (RBT)。使用 3D 建模和 3D 生物打印以及虛擬手術(shù)規(guī)劃 (VSP) 系統(tǒng)，3D Systems 可以設(shè)計(jì)和 3D 打印與患者的解剖學(xué)和生理學(xué)相匹配的生物整合支架。

2023年4月，斯旺西大學(xué)的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種3D打印純素鼻子，用于那些需要人工鼻移植的人。在此過(guò)程中，納米纖維素水凝膠和透明質(zhì)酸被用作生物墨水來(lái) 3D 打印人造軟骨支架。然后通過(guò)生物催化劑將其固化以增加其強(qiáng)度。然后將 3D 打印的支架浸泡在患者軟骨細(xì)胞的溶液中，然后再通過(guò)手術(shù)植入。