研究人員開發(fā)出新型生物墨水，用于3D打印個性化“芯片上的心臟”設備

2024年2月21日，南極熊獲悉，隸屬于蒙特利爾大學(UdeM)，圣賈斯汀大學研究中心（Centre de recherche Azrieli du CHU Sainte-Justine）的研究人員開發(fā)出一種新型生物墨水，這種墨水經過優(yōu)化，可用于3D打印個性化心臟芯片設備。

△這項研究由UdeM藥理學教授Houman Savoji和博士生Ali Mousavi領導的研究團隊完成，并發(fā)表在最新一期的Applied Materials Today上，題目為“開發(fā)具有改進電機械性能的光交聯生物墨水，用于生物3D打印心臟BioRings”（傳送門）

該團隊表示，這種新型可3D打印復合生物墨水能準確反映人類心臟的電活動、機械性能和生理機能。

Savoji表示："我們的研究使結合生物3D打印技術更快速、更精確地生產標準芯片心臟成為可能。更重要的是，我們的研究結果表明，打印出來的設備比人工生產的設備性能更好。”

△3D打印個性化心臟芯片設備

3D打印“芯片上的心臟”

這種新型的可3D打印生物墨水基于可光交聯的天然聚合物甲基丙烯酸明膠（GelMA）和甲基丙烯酸海藻酸鹽（AlgMA），以及導電性還原氧化石墨烯（rGO）納米材料。據研究作者稱，這是AlgMA首次用于組織心臟工程應用。

在整個研究過程中，科學家們合成了水凝膠成分并對其進行了表征，配制出了各種材料濃度的生物墨水。為了開發(fā)出最佳的生物3D打印墨水配方，研究小組研究了不同組合的物理化學、結構、機電、細胞毒性、3D打印性和降解特性。

在3D打印心臟設備時，還加入了不同類型的細胞。這些細胞包括新生大鼠心肌細胞、心臟成纖維細胞和HL-1細胞。

△3D打印“芯片上的心臟”研究的不同階段

該團隊表示，優(yōu)化的生物墨水配方支持高水平的心臟細胞活力、增殖、擴散、伸長和排列。這使得"芯片心臟"設備能夠準確反映真實的人類心臟功能，包括細胞自發(fā)跳動。

該研究的第一作者Mousavi說："我們配制的生物墨水能最好地再現心臟的特性，如彈性和導電性，并具有生物3D打印所需的合適特性�！�

Mousavi表示，目前，大多數"芯片上的心臟"設備都是在實驗室中，以非標準化方法單獨生產的。因此，它們往往缺乏工業(yè)規(guī)模生產的可擴展性。在這個研究項目中，研究小組采用了自動化、高通量的生物3D打印工藝，在12孔板中制作心臟模型。希望這種方法能提高3D打印心臟設備在醫(yī)療領域的應用。

展望未來，研究人員將進一步開發(fā)用于藥物鑒定和測試應用的個性化3D打印心臟芯片設備。將新型生物墨水與患者干細胞相結合，就能3D打印出患者特異性心臟模型，從而促進個性化心臟藥物的開發(fā)。

Mousavi補充道："下一步將對健康和患病的心臟細胞進行比較，以開發(fā)實體心臟病理模型。這也將使我們能夠安全、準確地測試新治療分子對細胞的影響。"

這項技術有望在醫(yī)學研究和藥物測試方面發(fā)揮重要作用，因為它能夠提供更真實的心臟模型，幫助科學家更好地理解心臟疾病的發(fā)展和藥物對心臟的影響。該研究的結果有望推動生物打印技術在醫(yī)學領域的進一步發(fā)展和應用。