2020年10大生物3D打印技術進展，為未來的器官移植鋪路

由于COVID-19的大流行，2020年是非常動蕩的一年，但即使是最極端的封鎖措施也無法阻止科學研究向前發(fā)展。我們已經看到研究人員利用新的3D生物打印系統(tǒng)、工藝和生物墨水，創(chuàng)建器官模型，甚至生物打印組織，用于COVID-19研究。

2020年12月28日，南極熊www.withyoor.com注意到外媒概述了生物3D打印領域的十項最重要的成就，給2020年帶來了一線生機。

FRESH-生物打印栩栩如生的心臟模型

卡內基梅隆大學（CMU）生物醫(yī)學工程系Feinberg實驗室的研究人員，生物打印了一種心臟模型，它能模仿心臟組織的真實手感、彈性和機械性能，而且還足夠耐用，可以進行處理、縫合和灌注，是手術模擬和訓練的理想工具。利用他們的自由形態(tài)可逆嵌入懸浮水凝膠（FRESH）生物打印技術，首席研究員Adam Feinberg和同事們，成功地證明了由軟性水凝膠制成的大型生物打印心臟組織構造可以實現，并可以外科培訓應用。

△用針將海藻酸鹽打印到水凝膠浴中，隨后將其融化，留下成品心臟模型，圖片由卡內基梅隆大學/dam Feinberg提供

使用激光和糖的復雜血管網絡

來自萊斯大學的研究人員利用糖粉和選擇性激光燒結，從復雜、分支和錯綜復雜的糖網絡中構建了大型結構，這些糖網絡可以在實驗室生長的組織中溶解，為血液創(chuàng)造通路。該團隊的研究結果已經接近模擬生成血管所需的體內條件，克服了3D打印血管化的并發(fā)癥，這是組織工程中最大的挑戰(zhàn)之一。產生新的3D打印工藝和血管化的生物材料，是萊斯大學Jordan Miller生物工程實驗室研究人員的首要任務之一，該實驗室在使用糖來構建血管網絡模板方面已經有了豐富的歷史。這項工作使生物打印界離創(chuàng)造移植用的器官和組織又近了一步。

用于COVID-19研究的生物3D打印組織

來自北卡羅來納州維克森林再生醫(yī)學研究所（WFIRM）的安東尼-阿塔拉（Anthony Atala）開發(fā)了一種新的多器官，可在芯片上測試藥物的毒性。阿塔拉與其他研究人員一起，在2020年2月發(fā)表了一篇論文，聲稱“活體生物組織打印在芯片上” 可以帶來更快更經濟的藥物開發(fā)，以及降低藥物上市后的風險。但這還不是全部，3D機體系統(tǒng)能夠證明藥物毒性，在7月份它還被用于COVID-19的研究。據《紐約時報》報道，阿塔拉的團隊正在將活體組織生物打印在微芯片上，并將其送往弗吉尼亞州喬治梅森大學的生物安全實驗室，在那里測試對抗新型COVID-19病毒的藥物。南極熊3D打印網注意到，這項成果引發(fā)了眾多醫(yī)療企業(yè)的關注。

阿塔拉在接受美國外科醫(yī)生學院的采訪時表示，他正在利用芯片上的身體結構來研究COVID-19的感染性和抗病毒藥物，以及藥物的毒性水平。更重要的是，專家表示，細胞衍生的3D有機體技術比培養(yǎng)板中的細胞系或動物模型更有幫助。團隊正在測試兩種不同的抗病毒藥物，一種是針對肺部的，另一種是針對腸道的，研究不同的藥劑如何影響這些器官。

△集成組織器官打印機（ITOP）在WFIRM的生物打印組織構建，圖片由WFIRM提供

微型機器人在體內打印出健康的細胞

來自中國清華大學的研究人員開發(fā)了一種微型生物打印平臺，通過內窺鏡進入人體，在體內進行組織修復。為了測試這種新方法，研究人員在胃模型中通過生物打印雙層組織支架成功修復了胃部傷口。他們用明膠-海藻酸鹽水凝膠與人胃上皮細胞和人胃平滑肌細胞作為生物墨水，模擬胃的解剖結構，10天的細胞培養(yǎng)顯示，打印的細胞仍然保持著較高的活力和穩(wěn)定的增殖，這表明打印組織支架中的細胞具有良好的生物學功能。該工作是生物打印和臨床科學領域的創(chuàng)新進展。由于胃壁損傷是消化道常見的問題，影響著世界上12%的人口，根據發(fā)表在《Biofabrication》上的研究作者，新型的原位體內生物打印平臺是治療這一問題的潛在有用方法。

△人類胃部3D打印模型內的機器人原型特寫，圖片由清華大學提供

用于體內3D打印的新型生物墨水

研究人員開發(fā)了一種特殊配方的生物墨水，以微創(chuàng)方式在活體患者體內生物制造3D組織工程支架。這項研究發(fā)表在2020年7月的《Biofabrication》雜志上，由寺崎研究所、俄亥俄州立大學和賓夕法尼亞州立大學的研究人員合作。它專注于一種全新的生物材料配方，可以在體內發(fā)現的那種溫度下進行3D打印，并在體內使用可見光進行交聯(lián)，利用機器人3D打印構建具有臨床相關尺寸和一致結構的3D組織工程支架。這項工作可以實現在手術室（OR）中直接將合適的細胞和材料送到缺損處。

△直接植入軟活組織的晶格結構，圖片由俄亥俄州立大學提供

國際空間站上的生物打印，俄羅斯宇航員在太空中3D打印軟骨

最具創(chuàng)新性和未來感的生物打印形式之一是在微重力下完成的。畢竟，如果地球外殖民在未來十年內隨時會開始，生物打印是空間探索者生存的要素。使用由俄羅斯生物技術公司3D Bioprinting Solutions開發(fā)的定制設計的磁性3D生物打印機Organ.Aut，在2018年發(fā)射到軌道上，宇航員Oleg Kononenko在國際空間站（ISS）上對軟骨進行了生物打印。利用磁場的拉力實現了細胞在微重力下的自組裝，這種懸浮式生物打印的形式為太空再生醫(yī)學提供了巨大的潛力。Kononenko在國際空間站俄羅斯段進行了實驗，2020年7月15日，在地球上開發(fā)這一系統(tǒng)的研究人員公布了他們的工作成果。

△Oleg Kononenko使用了一種新型的 "無支架 "組織工程方法，圖片由3D Bioprinting Solutions提供

mimiX Biotherapeutics公司推出首臺聲學3D生物打印機

瑞士生物技術初創(chuàng)公司mimiX Biotherapeutics宣布推出一種全新的生物制造技術，可以通過聲波快速而經濟地生產多細胞功能組織構建。實驗室儀器依靠公司的專利技術 "聲音誘導形態(tài)發(fā)生"（SIM）生物加工技術，這項技術已經有近十年的歷史，并已被成功證明可以編排血管網絡。在IOPscience雜志Biofabrication上發(fā)表的一篇論文中，研究人員開發(fā)了一個體外實驗模型作為概念驗證，以評估SIM創(chuàng)建血管結構的可行性。他們得出結論，即使初始密度較低，細胞也能夠自組裝成功能性多尺度血管網絡，并可應用于多個生物醫(yī)學領域，包括藥物篩選的3D模型和生物打印自動化組織制造，以實現臨床轉化。

△mimiX Biotherapeutics公司的第一臺聲學生物打印機，圖片由mimiX Biotherapeutics提供

生物打印珊瑚可以幫助海洋生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展

由于生物打印的應用超出了組織工程和再生醫(yī)學的范疇，2020年4月，來自劍橋大學和加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的一組研究人員開發(fā)了仿生3D打印珊瑚，作為珊瑚啟發(fā)生物材料的新工具，可以在藻類生物技術、珊瑚礁保護和珊瑚-藻類共生研究中找到用途。珊瑚啟發(fā)的光合生物材料結構是利用快速的3D生物打印技術制造出來的，能夠模仿珊瑚-藻類共生的功能和結構特征，為生物啟發(fā)材料及其在珊瑚保護中的應用打開了一扇新的大門。當時，來自UCSD的跨學科海洋生物學家Daniel Wangpraseurt解釋說，生物打印技術是他開發(fā)仿生3D打印珊瑚的一個關鍵點，是珊瑚啟發(fā)生物材料的新工具，可用于藻類生物技術、珊瑚礁保護以及珊瑚-藻類共生研究，是該技術真正創(chuàng)新和迷人的應用。

△生物打印的珊瑚，圖片由Daniel Wangpraseurt/UCSD提供

在實驗室中生物打印迷你人腎臟

澳大利亞默多克兒童研究所(MCRI)的研究人員和生物技術公司Organovo在實驗室中生物打印出微型人類腎臟,為腎衰竭的新療法和可能的實驗室種植移植鋪平了道路。研究顯示了干細胞的3D生物打印如何能夠產生移植所需的足夠大的腎臟組織片，這也在一項研究中得到了驗證，用于篩查一類已知會對人造成腎臟損害的藥物的藥物毒性。MCRI教授Melissa Little是世界上人類腎臟建模的領導者，他于2015年首次開始種植腎臟器官。但這種新的生物打印方法原來更快，更可靠，并允許整個過程擴大規(guī)模。2020年11月23日發(fā)表在《 Nature Materials》雜志上的一項研究中描述，利用生物打印技術，她現在可以在10分鐘內創(chuàng)建大約200個迷你腎臟，而不影響質量。此項突破在南極熊3D打印網http://www.withyoor.com/thread-143947-1-1.html上有詳細報道。

△Melissa Little教授，圖片提供：Aaron Francis

Organovo創(chuàng)始人回歸

2020年，Organovo創(chuàng)始人Keith Murphy在卸任CEO三年后重返這家開創(chuàng)性的生物打印公司。在此期間，Murphy繼續(xù)創(chuàng)建了另一家名為Viscient Biosciences的創(chuàng)新生物技術初創(chuàng)公司，但截至2020年9月24日，這位企業(yè)家回來做執(zhí)行董事長。自從Murphy離開后，Organovo一直在努力尋找突破口，以推進器官移植活體人類肝臟組織的3D打印開發(fā)，這個產品備受期待。即使它早在2007年作為生物3D打印技術的黑馬出現，但管理層在2019年8月停止了所有的研發(fā)主導計劃，并裁減了69%的整體員工，約40個職位，削減成本，因為它正在探索可用的 "戰(zhàn)略替代方案，從技術平臺和知識產權中產生價值"。

這家公司錄得近130萬美元的重組費用，此后不久，在2020年11月，公司將人類原發(fā)性肝腎細胞分離業(yè)務Samsara Sciences以150萬美元的價格出售給弗吉尼亞州的LifeNet Health�，F在，Organovo重新恢復繼續(xù)前任領導人的工作，努力實現治療候選藥物的監(jiān)管批準。


編譯自：3dprint