《Cell》綜述：生物3D打印，生物學家的好幫手

來源： EFL生物3D打印與生物制造

生物3D打印是一項新興的技術，通過人工構建生物學組織，能探索全新的組織結構，徹底改變了生物學的基本認知。生物3D打印技術不僅應用于組織修復和藥物篩選，而且探索細胞形態(tài)及細胞相互作用中也有很大的應用價值。賓夕法尼亞大學的Jason A. Burdick教授在Cell上發(fā)表了一篇名為“Bioprinting for the Biologist”的綜述。本篇綜述主要從生物學家視角看生物打印，概述了擠出生物打印的步驟，并討論了不同的生物3D打印技術以及其未來展望。

細胞生物學傳統(tǒng)上是通過在2D硬表面如細胞培養(yǎng)板或動物模型中的細胞來研究的。而3D培養(yǎng)的細胞在柔軟的材料中培養(yǎng)，這種方式模仿了細胞在體內的類集體性細胞行為。許多類型的生物或合成分子材料的水凝膠被開發(fā)出來并應用于細胞培養(yǎng)。在生物制造領域，生物3D打印被定義為：使用計算機輔助傳輸過程，用層積的方式制造出設定的圖案并組裝，以生產生物工程結構的技術。

生物打印技術基本分為三類。

1. 擠出式打印技術：從打印機噴嘴用壓力驅動的方式擠出用于打印的用戶自定義的細絲。（圖1）



圖1 擠出式打印技術

2. 投影式光固化生物3D打�。簩⒐饩�集中到2D平面中以局部凝固水凝膠，然后通過機器轉換層面，形成連續(xù)的層層交聯(lián)的3D實體。光刻生物3D打印因為其精確性，能夠重現(xiàn)復雜的微結構。如在2016年發(fā)表的研究中，使用投影式光固化技術在仿生六邊形顯微結構中對誘導多能干細胞（iPSC）-肝細胞、內皮細胞和脂肪干細胞進行培養(yǎng)，并證明其培養(yǎng)模型可以增強肝細胞功能，增加肝臟特異性基因表達、白蛋白分泌和藥物代謝酶活性。（圖2A）



圖2 光控打印技術及微球打印技術

3. 微球打印技術：

球狀生物打印技術優(yōu)勢在于其能提供高細胞密度結構的印刷。當單個細胞分散在凝膠中時，很多疾病狀態(tài)都難以忠實地表現(xiàn)出來。預制的球體可以融合到組織鏈中，然后自行將組織鏈擠壓呈更大的3D結構。球狀生物打印技術在開發(fā)器官和組織模型方面具有重大應用前景。（圖2B）

作者對以上三種打印技術進行了比較，并列出了其優(yōu)缺點。（表1）


表1 三種打印技術優(yōu)缺點比較


接下來，作者描述了生物打印的步驟。其被概括為三個步驟。（圖3）

1. 計劃。設計整體的打印模式和各個生物打印組件。其中需要注意兩個關鍵步驟：打印設計與生物墨水選擇。

打印設計通常通過計算機輔助設計（CAD）軟件創(chuàng)建。創(chuàng)建CAD模型后，可以將其上傳到打印機中以創(chuàng)建G代碼。G 代碼定義了生物墨水的打印路徑，并可以指定如果使用多個生物墨水，在整個打印過程中使用哪些生物墨水。

生物墨水的選擇主要基于墨水的可打印性以及生物墨水對細胞行為的影響。在表2中列出了生物墨水選擇的一般注意事項。

表2 生物墨水選擇的一般注意事項



2. 打印。使用合適的生物打印機打印出設計的結構。

3. 加工處理。處理打印結構。

生物打印的最后一步是加工處理生物打印出的結構。這些主要考慮其整個實驗應用場景。包括整個實驗過程的長度（這決定了你使用的生物墨水的穩(wěn)定性和打印出的結構），以及里面需要承載什么細胞。用戶可能需要根據(jù)應用場景規(guī)劃打印結構的大小和打印參數(shù)。



圖3 生物打印的步驟

生物3D打印在生物學中的應用：

1. 組織發(fā)育和修復生物打印模型

在3D打印的水凝膠中能夠提供不同生長因子的生化梯度。在血管生成發(fā)芽實驗中，細胞可降解水凝膠內的3D打印微通道，根據(jù)不同的生長因子濃度生長。（圖4A）

2. 生物物理形態(tài)的發(fā)生

在組織生長過程中，因為內部的壓力和張力產生，會導致機械力的作用。3D水凝膠模型可以重塑這種細胞外基質模型。通過將纖維細胞的膠原蛋白生物墨水擠出到支架上，然后測量由于牽引力而發(fā)生的膠原蛋白長度變化。（圖4A）

3. 癌癥疾病模型

在一項研究中，利用GelMA生物墨水的擠出式生物打印，開發(fā)出了將膠質母細胞和巨噬細胞分隔培養(yǎng)的微型大腦模型，能夠更好的模擬腫瘤和其周圍微環(huán)境的相互作用，此模型已證明與臨床生成的轉錄組數(shù)據(jù)相關。（圖4B）

4. 管狀疾病模型

腎小管和血管之間的相互聯(lián)系與再吸收關系紛繁復雜。在一項研究中，通過纖維蛋白基質中打印兩個平行的微通道，其中一個鋪近端腎小管內皮細胞，另外一個鋪血管內皮細胞以形成單層上皮和血管。通過閉環(huán)灌注系統(tǒng)控制通過兩個通道的流量，可以研究從上皮通道到血管通道的葡萄糖的再吸收。（圖4B）



圖4 生物打印在生物學上的應用

最后，作者概述了一些前瞻性的研究方向：

1. 研究旁分泌等遠距離生化信號

用傳統(tǒng)方式理解體內的發(fā)育組織的形態(tài)發(fā)生發(fā)展是復雜的。但是生物3D打印可以在此發(fā)揮關鍵作用。生物過程中，細胞會通過旁分泌方式分泌細胞因子作用到另外的細胞上。生物打印可以將細胞因子的“發(fā)送者”細胞和“接收者”細胞進行陣列排列，定量控制組織大小和組成以及細胞因子的擴散距離以及擴散率。有一研究表示血管細胞和腫瘤細胞之間的相互作用可以通過細胞參數(shù)的變化實時成像繪制出包括增殖、遷移、分泌以及蛋白質及基因表達等數(shù)據(jù)。（圖5A）

2. 在發(fā)育的分化點建立生物結構

細胞可能因為機械牽引等因素產生不同的極化，從而產生極性分區(qū)。如向上與向下的方向性細胞，以及平面極性細胞。有一研究通過生物打印技術探索模式張力對細胞集體行為（如神經嵴形成）的影響。3D生物打印可以在水凝膠中改變細胞類型、細胞間基質（ECM）類型、ECM力學等參數(shù)，研究集體細胞行為。（圖5B）

3. 形態(tài)變化

生物打印方法可用于創(chuàng)建具有細胞密度梯度的組織，以確定細胞密度本身是否足以觸發(fā)出芽表型的形成。在研究中，可以通過與細胞密度相鄰的微環(huán)境條件進行模式化并調整，可用于篩選微環(huán)境下的細胞遷移。（圖5C）



圖5 生物打印在生物學上新興的應用場景

綜上，該綜述概述了生物打印作為一個新興的領域，如何使用這一技術的步驟及利用該技術解決生物問題。生物體內涉及復雜的細胞、生化和生物物理動力學，這些動力學塑造了生物體及其組成器官的形狀和組成，而人體內這些復雜性可以通過各種方式經由生物打印的方式進行重現(xiàn)，并與迅速壯大發(fā)展的有機工程領域進行合作。因此，生物3D打印的未來在解決生物學問題中具有巨大的潛力。


文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002