生物打印新進展！賓夕法尼亞州立大學(xué)將生物打印組織的速度提高了10倍

2024年11月，南極熊獲悉，來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種新型的生物3D打印技術(shù)，該技術(shù)利用球狀體（細胞簇）來制造復(fù)雜的組織。這項新技術(shù)提高了組織制造的精度和可擴展性，生產(chǎn)組織的速度比現(xiàn)有方法快 10 倍并擴大了開發(fā)功能性組織和器官以及再生醫(yī)學(xué)進展的機會。研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Nature communications上，題目為High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication（球體的高通量生物打�。�。該研究得到了美國國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（NIBIB）及美國國家牙科和顱面研究所（NIDCR）的資金支持，進一步證明了其在科學(xué)和技術(shù)上的重要性。



研究背景
隨著再生醫(yī)學(xué)和組織工程學(xué)的發(fā)展，3D生物打印技術(shù)作為一種創(chuàng)新的制造方法，為構(gòu)建功能性組織和器官提供了新的可能性。然而，傳統(tǒng)的生物打印方法在細胞密度、制造速度以及對脆弱細胞結(jié)構(gòu)的保護方面存在諸多限制。這些挑戰(zhàn)不僅影響了人造組織的功能性，也制約了其臨床應(yīng)用的可能性。為了克服這些問題，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團隊在Ibrahim T. Ozbolat教授的帶領(lǐng)下，開發(fā)了一種新型的高通量集成組織制造系統(tǒng)（HITS-Bio），旨在提高生物打印的速度、精度和可擴展性。



研究內(nèi)容
Ozbolat教授及其團隊提出的新技術(shù)——HITS-Bio，利用球狀體（即細胞簇）作為構(gòu)建單元來制造復(fù)雜的3D組織。球狀體是一種三維細胞集合體，其細胞密度與人體組織相似，因此被認(rèn)為是實現(xiàn)高密度組織生物打印的理想材料。盡管球狀體提供了更好的細胞密度，但之前的生物打印方法由于缺乏高效的可擴展技術(shù)和精確控制能力，仍然難以滿足實際需求。為了解決這些問題，研究團隊設(shè)計了一個數(shù)字控制噴嘴陣列，該陣列可以在三維空間中移動，并允許同時操縱多個球狀體。


△HITS-Bio流程示意圖

具體而言，他們將噴嘴排列成四乘四的陣列，能夠一次性拾取16個球狀體并迅速準(zhǔn)確地放置在生物墨水基底上。此外，噴嘴陣列還可以根據(jù)定制模式拾取球狀體，從而創(chuàng)建出具有特定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜組織。


△HITS-Bio性能分析

這種新方法相較于傳統(tǒng)逐個處理球狀體的技術(shù)，大大提高了工作效率，實現(xiàn)了比現(xiàn)有技術(shù)快10倍的組織制造速度，同時保持了90%以上的細胞存活率。正如Ozbolat教授所言：“這項技術(shù)是快速生物打印球狀體的重大進步，它能夠以高通量方式以比現(xiàn)有技術(shù)更快的速度打印組織，并且細胞存活率高。”

研究結(jié)果


△1立方厘米的軟骨組織被生物打印出576個球體

為了驗證HITS-Bio平臺的有效性，研究人員進行了多項實驗測試。首先，他們成功地在一個小時內(nèi)制造出了一個一立方厘米大小的軟骨組織結(jié)構(gòu)，其中包含了大約600個由軟骨細胞組成的球狀體。這個過程用時不到40分鐘，效率極高，遠超現(xiàn)有生物打印技術(shù)的能力。

更重要的是，研究小組展示了該技術(shù)在大鼠模型中的手術(shù)環(huán)境中按需組織修復(fù)的應(yīng)用潛力。他們直接在顱骨傷口部位打印了球狀體，并使用microRNA技術(shù)對球狀體進行編程，使其轉(zhuǎn)化為骨骼。結(jié)果顯示，在三周后傷口愈合率達到91%，六周后達到了96%。這表明HITS-Bio技術(shù)不僅加速了骨骼修復(fù)速度，還顯著提高了修復(fù)效果。

此外，該技術(shù)還展示了其他潛在的應(yīng)用前景。例如，通過增加噴嘴的數(shù)量，可以生產(chǎn)更大、更復(fù)雜的組織，如肝臟等器官組織。這對于推動再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要，因為它意味著未來可能創(chuàng)造出更多可用于臨床或移植的人造器官。值得注意的是，該研究中展示的兩種應(yīng)用不存在血管化的問題，因為軟骨本身沒有血管，在外科手術(shù)中，周圍的血管可以幫助血液流向生物打印的骨組織。

展望
展望未來，HITS-Bio技術(shù)的出現(xiàn)為再生醫(yī)學(xué)和個性化醫(yī)療帶來了新的希望。研究團隊正繼續(xù)探索如何將血管融入人造組織中，這是制造更多功能性和臨床可用組織的關(guān)鍵步驟之一。Ozbolat教授指出：“我們正在努力開發(fā)一種可以支持大規(guī)模生產(chǎn)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)建的方法，以便最終能夠生產(chǎn)出可供移植的器官�！边@一目標(biāo)一旦實現(xiàn)，將極大地改變目前依賴于供體器官移植的局面，為患者提供更多的治療選擇。

綜上所述，HITS-Bio技術(shù)代表著生物打印領(lǐng)域的一個重大飛躍，它不僅提高了組織制造的速度和質(zhì)量，還為未來的醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用開辟了新的道路。隨著更多相關(guān)研究的展開和技術(shù)的進步，相信這一領(lǐng)域的創(chuàng)新將會不斷涌現(xiàn)，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54504-7