美國LANL研究人員開發(fā)新型生物反應器以增強干細胞生長

導讀：3D打印使研究人員能夠快速創(chuàng)建支持更好的細胞生長和相互作用的緊湊、高效的設計，從而促進了生物反應器的發(fā)展。

△這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。該緊湊型設備旨在克服傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)模型的局限性，并能夠模擬真實組織環(huán)境的復雜性，從而使得細胞分化研究更加實用和精確（傳送門）

2025年4月1日，南極熊獲悉，洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的研究人員開發(fā)了一種3D打印灌注生物反應器 (3D-PBR)，旨在改善人類骨髓間充質干細胞 (MSC) 的生長和分化方式。

在新墨西哥大學（UNM）的幫助下，這款設備還支持與血管細胞的共培養(yǎng)。為了實現(xiàn)這一功能，研究人員采用了Formlabs 3B低力立體光刻（SLA）3D打印機進行制作。設備由生物相容性的樹脂制成，該樹脂由甲基丙烯酸酯單體和聚氨酯二甲基丙烯酸酯組成。打印完成后，研究人員使用異丙醇仔細清潔各個組件，并在60°C的紫外線下固化30分鐘，這一過程不僅確保了結構穩(wěn)定性，還提高了成像的清晰度。

△完全組裝的3D-PBR系統(tǒng)，帶有模塊化蠕動泵和3D打印細胞培養(yǎng)基儲存器

雙室設置支持細胞相互作用

這款3D打印設備的創(chuàng)新之處在于它獨特的雙隔室設計，兩個隔室通過一個孔徑為0.4 µm的多孔聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜相隔。該膜允許介質在隔室之間傳輸，同時支持細胞間的相互作用，而保持隔室之間的獨立性。

其中一個隔室專為血管細胞設計，配備魯爾鎖端口以控制液體流動，并包含一個尺寸為11.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的矩形通道。另一個隔室則為間充質干細胞（MSCs）設計，擁有一個尺寸為15.8毫米×4.8毫米×0.8毫米的橢圓形通道。盡管設計復雜，整個系統(tǒng)（包括蠕動泵和3D打印的培養(yǎng)基儲存器）的體積卻僅限于60立方英寸。

研究人員選擇了一種特殊的樹脂基聚合物，而非常見的聚二甲基硅氧烷（PDMS），后者常受到分子吸收和制造限制的影響。這一新方法提供了更高的靈活性和耐用性，能夠實現(xiàn)更復雜的結構，更適合各種實驗條件。

在實驗中，研究團隊在膠原蛋白纖維凝膠中培養(yǎng)MSCs，選擇這種材料是因為它能提供結構支撐并模擬細胞外基質的環(huán)境。他們分別制備了濃度為3.8×10⁴細胞/毫升的凝膠用于骨分化實驗，以及2.6×10⁵細胞/毫升的凝膠用于脂肪分化實驗。

同時，將人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）以1×10⁶細胞/毫升的濃度引入血管室，在21天內(nèi)形成融合單層。為了進一步促進分化過程，研究人員采用了23 µL/min和100 µL/min的流速，已知這些流速有助于促進骨生成條件。

△3D-PBR中血管和MS隔室的組裝過程

3D-PBR技術在組織工程中的應用與前景

接下來，研究團隊利用熒光顯微鏡來評估MSCs在3D-PBR中的分化狀況。使用了VE-Cadherin、ActinRed™ 555和NucBlue等成像標記物，這些標記物清晰地展示了細胞結構以及相互作用。研究結果顯示MSCs的活力高達92%，而HUVECs的活力為91%。

更值得注意的是，與靜態(tài)培養(yǎng)條件相比，3D-PBR中培養(yǎng)的細胞顯示出更顯著的分化特征。具體表現(xiàn)為骨細胞結構具有更高的復雜性和成熟度，以及脂肪細胞分化的一致性。

△3D-PBR的µCT掃描

為了確保裝置的結構完整性，研究人員進行了µCT掃描，證實了隔間密封性良好，適宜進行長期實驗。這一驗證步驟對于確認裝置設計的可靠性至關重要。

雖然初步實驗證明了該裝置的生物相容性和促進細胞分化的能力，但仍存在局限性，特別是對血管細胞信號如何影響間充質干細胞（MSCs）生長的分子機制研究不足。此外，由于不同細胞需要不同培養(yǎng)基，目前只能在MSCs分化后引入血管細胞，未來計劃開發(fā)通用培養(yǎng)基并結合基因表達分析優(yōu)化培養(yǎng)條件。

展望未來，研究人員相信3D-PBR的緊湊設計、與標準實驗室設備的兼容性以及廣泛適應性，將使這項技術成為研究骨骼形成、脂肪分化以及其它需要模擬真實環(huán)境的組織工程應用的寶貴工具。