歐洲航天局《AHM》綜述：微重力下3D生物打印的太空應(yīng)用

來源： EngineeringForLife

生物3D打印技術(shù)已經(jīng)得到巨大發(fā)展，目前可以制造出復(fù)雜的組織模型。國(guó)際航天機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到該技術(shù)制造的細(xì)胞和組織模型可以用于空間基礎(chǔ)研究，特別是微重力和宇宙輻射對(duì)不同類型人體組織的影響。此外，生物打印能夠產(chǎn)生臨床轉(zhuǎn)化級(jí)別的組織移植物，因此在太空中應(yīng)用3D生物打印技術(shù)能夠支持宇航員在未來長(zhǎng)期和遙遠(yuǎn)太空任務(wù)中的醫(yī)療問題。近日，來自歐空局&德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)的Michael Gelinsky教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了微重力下的3D生物打�。簷C(jī)會(huì)、挑戰(zhàn)和可能的太空應(yīng)用的相關(guān)研究。研究成果以“3D Bioprinting in Microgravity: Opportunities, Challenges, and Possible Applications in Space”為題于6月23日發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

本文分析了在太空條件下（微重力）進(jìn)行不同類型生物打印機(jī)的可能性。打印步驟涉及液體的處理，在微重力下是相對(duì)困難的，但這種環(huán)境可以克服細(xì)胞在低粘性生物匯中沉淀等問題。希望在不久的將來，國(guó)際空間站將有公開的機(jī)會(huì)進(jìn)行生物打印測(cè)試。

1. 生物打印在太空應(yīng)用中的意義
為了解決深空探索中面臨的一些挑戰(zhàn)，歐洲航天局（ESA）正在進(jìn)一步研究3D生物打印技術(shù)。分析如何進(jìn)一步擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)在太空中的應(yīng)用。作為后續(xù)行動(dòng)，歐空局目前正在建設(shè)一個(gè)在低地球軌道上進(jìn)行生物打印和三維細(xì)胞培養(yǎng)的設(shè)施。一旦投入使用，"三維生物系統(tǒng)"將可以對(duì)微重力和宇宙輻射對(duì)不同類型人體組織的影響進(jìn)行基礎(chǔ)研究，將有助于更好理解和量化微重力和空間輻射的累積影響。同時(shí)生物打印能夠創(chuàng)造更復(fù)雜的三維組織模型，這些模型在模仿人類原生組織方面超過了傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)物。在未來進(jìn)入深空長(zhǎng)期探索任務(wù)中，生物打印可能可以支持航天員醫(yī)療需要。


2. 太空中的特定條件和限制
航天技術(shù)目前仍然面臨一些挑戰(zhàn)和限制，這些挑戰(zhàn)和限制使在地球上已經(jīng)成熟的技術(shù)到太空轉(zhuǎn)化變得復(fù)雜。包括將有效載荷帶入太空的能力（包括體積和重量）和與此相關(guān)的巨大成本。此外，發(fā)射期間的儲(chǔ)存條件和延遲使敏感或脆弱的部件難以進(jìn)入太空。對(duì)活細(xì)胞來說也是一個(gè)問題。為了解決這一難題，可以發(fā)射經(jīng)過低溫保存的細(xì)胞，但是這將導(dǎo)致在這些細(xì)胞到達(dá)后必須進(jìn)行一些人工處理步驟，然后才能進(jìn)一步使用，需要過量航天員時(shí)間。為了克服這一限制，最近對(duì)預(yù)混生物墨水的長(zhǎng)期儲(chǔ)存性進(jìn)行了研究，有可能實(shí)現(xiàn)在5℃下將含有細(xì)胞的墨水儲(chǔ)存數(shù)周而不會(huì)喪失細(xì)胞的活力。

3. 基于材料沉積的生物打印技術(shù)

3.1 基于擠壓的生物打印

圖1 擠壓式生物打印的不同模式

擠壓式生物打印技術(shù)通過使用活塞、螺旋系統(tǒng)或氣壓作為驅(qū)動(dòng)力噴嘴來擠出含有細(xì)胞的水凝膠材料細(xì)絲，將其稱為生物匯。為了創(chuàng)造一個(gè)立體物，EBB技術(shù)通常采用逐層打印的方法，將平面層打印在彼此的上面。目前EBB系統(tǒng)是生物制造領(lǐng)域最流行的方法，可以處理具有不同物理化學(xué)特性的許多生物匯，并建立復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.2 噴墨/激光生物打印

圖2 擠壓式打印、噴墨打印和激光生物打印產(chǎn)生物體的分辨率和尺寸

不同生物打印技術(shù)在物體分辨率和規(guī)模生產(chǎn)能力方面有很大不同，會(huì)影響打印結(jié)構(gòu)的尺寸、質(zhì)量和保真度�；�于激光和噴墨技術(shù)可以生產(chǎn)高精度和分辨率的小結(jié)構(gòu)。對(duì)于中等分辨率和大體積的幾何結(jié)構(gòu)需要使用基于擠壓式的生物打印。這三種生物打印技術(shù)在打印材料的粘性方面也有不同：基于激光系統(tǒng)的生物打印只能夠噴射出粘附的細(xì)胞或球狀體，噴墨打印只能處理低粘度的細(xì)胞懸浮液，而擠壓式打印則適用于幾乎所有粘度。

3.3 熔融近場(chǎng)直寫生物打印

圖3 橫向和縱向MEW打印示意圖

MEW打印能夠從直徑微米范圍內(nèi)的纖維中制造出3D結(jié)構(gòu)。熔融電場(chǎng)的高分辨率可以用來生成獨(dú)特的細(xì)胞-材料相互作用支架，并通過纖維沉積模式來引導(dǎo)細(xì)胞定向和細(xì)胞侵入。

4. 基于光刻技術(shù)的生物打印

4.1 立體光刻技術(shù)、數(shù)字光處理技術(shù)和多光子光刻技術(shù)

圖4 不同類型光刻技術(shù)示意圖

立體光刻技術(shù)（SLA）是生產(chǎn)聚合物部件應(yīng)用最廣泛基于光的AM技術(shù)之一，可以用于助聽器和牙齒矯正器的制造。SLA的基礎(chǔ)是通過紫外線（UV）激光器掃描光活性樹脂表面，從而進(jìn)行精確照射。光引發(fā)劑由紫外光激發(fā)，形成局部誘導(dǎo)樹脂聚合和固化的自由基。在平臺(tái)完成第一層的聚合后，平臺(tái)向下移動(dòng)，表面被新的樹脂覆蓋，進(jìn)行新層的固化，按照這種逐層的方法，可以建造高度自由設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

4.2 體積生物打印及相關(guān)技術(shù)

傳統(tǒng)的生物打印技術(shù)通常依賴于離散構(gòu)建塊的順序進(jìn)行空間沉積，雖然用途廣泛，但打印時(shí)間漫長(zhǎng)。為了克服這一障礙，最近推出了體積生物打�。╒BP），它可以在幾十秒的時(shí)間內(nèi)制造出大型的細(xì)胞打印物體。在機(jī)械和資源有限的太空環(huán)境中（軌道站、太空飛行和太空探索期間），對(duì)于擴(kuò)大無細(xì)胞物體和生物構(gòu)建體生產(chǎn)規(guī)模有較大價(jià)值。迄今為止，在軟骨、骨、肌肉和肝臟方面已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用。該技術(shù)的無接觸和無噴嘴特性可以以無剪切應(yīng)力的方式處理脆弱的生物結(jié)構(gòu)，這一優(yōu)勢(shì)在類器官研究中具有價(jià)值，也可以促進(jìn)這些模型在空間研究中的應(yīng)用。

4.2.1 微重力下VBP及相關(guān)技術(shù)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

圖5 體積生物打印技術(shù)相關(guān)概念示意圖

除能快速制造之外，VBP和相關(guān)方法可以在微重力下實(shí)現(xiàn)更好的效果。通常用于VBP的樹脂需要具有高粘性或熱可逆性，防止在打印過程中細(xì)胞或交聯(lián)聚合物的沉淀，但是會(huì)導(dǎo)致形狀保真度的損失，并限制用于打印光刻膠的選擇。在太空中，微重力下可以使用低粘度樹脂和非熱凝膠系統(tǒng)進(jìn)行打印，減輕了對(duì)細(xì)胞和打印結(jié)構(gòu)沉淀的擔(dān)憂。同時(shí)在微重力下，對(duì)流的存在是最小的，可以實(shí)現(xiàn)更好的打印分辨率，需要的溫度很小，可以防止對(duì)細(xì)胞或基質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

4.2.2 VBP和相關(guān)技術(shù)在太空中的成功案例

SpaceCAL（美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校）計(jì)劃建立一個(gè)有五個(gè)基于計(jì)算軸向光刻的設(shè)施并聯(lián)在一起，以便在太空飛行中實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�的體積打印。這個(gè)設(shè)備在零重力飛行中得到成功，證明體積打印在微重力下的適用性。勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在探索這種系統(tǒng)在太空中的應(yīng)用，首先計(jì)劃打印軟骨模擬結(jié)構(gòu)。同時(shí)，Xolo公司也將他們的打印機(jī)帶入太空進(jìn)行測(cè)試，首次展示其用于打印非水凝膠基樹脂�？傊�空間機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)以及工業(yè)和商業(yè)對(duì)太空中體積打印積極的參與，將為這種技術(shù)的進(jìn)一步工程化鋪平道路。

5. 在線監(jiān)測(cè)、生物反應(yīng)器和遠(yuǎn)程控制

圖6 一體化、專門設(shè)計(jì)的生物打印儀器設(shè)備

空間條件下對(duì)生物打印產(chǎn)生了一些重大挑戰(zhàn)，此外，由于需要減少送上太空的材料數(shù)量，這就要求向首次正確、零缺陷的生物打印模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。自動(dòng)化和數(shù)據(jù)輔助支持也需要幫助非專業(yè)的操作人員。在這種情況下，通過傳感平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝優(yōu)化、監(jiān)測(cè)和控制的新型解決方案應(yīng)與自動(dòng)控制的新型解決方案相結(jié)合，并優(yōu)化生物反應(yīng)器中的組織。最近，有許多用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制生物打印過程的方法，利用不同的傳感解決方案，包括可見光范圍內(nèi)的相機(jī)，激光掃描儀，光學(xué)相干斷層掃描（OCT）等以更好重建內(nèi)部特性。

6. 總結(jié)與展望

3D生物打印技術(shù)目前吸引了國(guó)際太空機(jī)構(gòu)越來越多的興趣。生物打印可以創(chuàng)造三維細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)，在太空中用來研究微重力和宇宙輻射對(duì)人體不同組織的影響。此外，生物打印技術(shù)擁有制造臨床適用的人體組織能力，有助于為未來長(zhǎng)期和遙遠(yuǎn)太空任務(wù)中受傷的宇航員提供醫(yī)療幫助。微重力的太空環(huán)境為幾種不同的生物打印方法提供了巨大優(yōu)勢(shì)。包括在基于擠壓式的生物打印中使用低粘性的生物匯，防止細(xì)胞或其他顆粒物質(zhì)在生物匯或樹脂中沉淀。在歐空局建造相關(guān)硬件后，國(guó)際空間站內(nèi)研究生物打印和開發(fā)生物打印細(xì)胞構(gòu)造成為可能。為有效利用這些設(shè)備，需要配備照相機(jī)和傳感器等，使地面上的科學(xué)家能夠跟蹤和控制實(shí)驗(yàn)過程。隨著這些設(shè)備的運(yùn)行，太空生命科學(xué)將向前邁進(jìn)一大步。


文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202300443