液態(tài)懸浮凝膠3D打印技術，F(xiàn)RESH支持膠原蛋白、有機硅和蛋白質等材料

南極熊導讀：有限的器官捐贈者、無法支持人體組織生長的醫(yī)療材料以及代價高昂的藥物測試失敗都是研究人員在醫(yī)學領域中正面臨的挑戰(zhàn)。3D 打印正在穩(wěn)步成為在這些領域取得進展的替代方案，但仍有其局限性，尤其是在工程人體組織方面。



FluidForm 是一家位于馬薩諸塞州的再生醫(yī)學公司，旨在通過其液體3D打印技術應對這些挑戰(zhàn)。對于許多生物材料，當前大多數(shù)3D打印方法和研究都依賴于修改現(xiàn)有材料以使其能夠在空氣中正常打印。該方法的缺點是，它通常會使得材料發(fā)生不希望的化學或者物理變化。南極熊獲悉，F(xiàn)luidForm開發(fā)了一種稱為懸浮水凝膠的自由形式可逆嵌入 (FRESH) 技術。FRESH方法沒有改變材料，而是修改了 3D 生物打印環(huán)境。這使得可以使用膠原蛋白、有機硅和蛋白質以及任何液體聚合物樹脂進行打印。

FRESH

FRESH 技術的大部分來自于卡內基梅隆大學 (CMU) 的再生生物材料和治療實驗室，由 FluidForm 首席技術官兼聯(lián)合創(chuàng)始人、生物醫(yī)學工程和材料科學教授 Adam Feinberg 提出。2018 年，F(xiàn)einberg的3D打印膠原蛋白核心技術促成了FluidForm的起步。次年，該公司的概念驗證研究發(fā)表在《Science》雜志上。團隊能夠從患者獨特的MRI中準確再現(xiàn)心臟的解剖結構。


△FRESH 技術使膠原蛋白的 3D 打印能夠創(chuàng)建人類心臟的復雜組件，從小血管到心室。（圖片由 FluidForm 提供。）

FRESH 技術的工作原理


△FRESH原理示意圖

當前的生物打印技術需要紫外線和高溫。FRESH 通過其 LifeSupport培養(yǎng)液使用天然凝膠化學（酶促、離子、pH）實現(xiàn)細胞和蛋白質的 3D 打印。這種”支持液“能夠在物理上保持軟蛋白質和細胞的位置，使得材料凝固一定的形狀，保證不變形。Bioinks 和其他材料也被注入培養(yǎng)液中，可以確保打印件不會發(fā)生變形或塌陷。與在空氣中打印不同，這種培養(yǎng)液會觸發(fā)化學反應。打印后，水凝膠被加熱融化。LifeSupport 可以將不同的材料一起打印成任何幾何形狀，而不會影響打印部件的保真度。此外，研究人員可以添加其他蛋白質，以確保組織正常發(fā)育，使得創(chuàng)建人體真實組織變得觸手可及。
Fresh解決人體組織打印挑戰(zhàn)的方法：

1）使用正確的材料：人體的每一個組織中都有一系列的細胞和蛋白質。細胞、信號分子和細胞周圍的細胞外基質(ECM)之間存在著相互依賴的關系。以往的生物打印機將材料置于空氣中打印，從而損害了它們的生理性。與傳統(tǒng)生物打印技術使用的紫外線和高溫不同，Fresh允許FluidForm通過使用身體的凝膠化學(離子、pH、酶)來打印細胞和ECM蛋白質。這些材料和細胞不僅可以打印在一起，它們還可以與其他有助于引導組織正常發(fā)育的蛋白質一起發(fā)揮功能。


△FRESH材料選擇

2） 使用正確的組裝方法：結構和功能在整個生物學中需要高度交織在一起。為了有適當?shù)慕M織功能，必須有適當?shù)慕M織結構，如肌肉纖維的排列。生物打印機還必須能夠組裝材料，就像人體從頭開始構建材料一樣。Fresh能夠實現(xiàn)對空間的控制，以及以高分辨率打印軟可變形材料，而無需修改它們。使用新的、以前不可能打印的化學物質如今已經成為可能。這是由于生物墨水-支持浴允許發(fā)生化學作用，如pH變化，這在空氣中是不可能的。膠原蛋白是人體的主要結構蛋白，現(xiàn)在可以組裝并排列成任何3D形狀。這使得Fresh成為將生理上最相關的細胞和材料組裝成任何幾何體的唯一方法。


△與傳統(tǒng)3D打印技術的對比

3）開發(fā)正確的功能：3D生物打印的最終目標是創(chuàng)建功能組織，而在FluidForm，最中的目標是實現(xiàn)收縮心肌的制造。就像人體組織一樣，工程組織需要具有高細胞密度才能實現(xiàn)自然功能。傳統(tǒng)的生物打印機無法實現(xiàn)上述目標，主要有兩個方面。首先，傳統(tǒng)的生物打印機用添加劑稀釋生物墨水，使其在空氣中更加堅硬。其次，與人體組織相比，這些生物墨水的細胞密度非常低，因為這種材料的很大一部分必須是增稠劑，才能實現(xiàn)結構的制造。Fresh允許生物打印生物墨水，其細胞密度是傳統(tǒng)生物墨水的十倍以上，打印材料的絕大多數(shù)(>90%)成分是細胞。最終的結果是能夠打印出十分密集、排列整齊和巨大的心肌組織，以至于能夠像天然心臟一樣跳動。打印細胞密度高的材料使FluidForm能夠構建組織，為藥物測試和再生醫(yī)學開發(fā)下一個級別的功能。


△使用高密度細胞材料進行

4）器官大小的比例：生物打印方法的核心技術可以從生物制藥組織模型所需的1立方厘米擴大到可植入組織所需的1立方米以上。傳統(tǒng)的生物打印機無法構建比郵票更大的結構，F(xiàn)RESH技術已經可以打印一個完整的心臟模型了。
FluidForm 說：“LifeSupport 可以在一系列緩沖液和細胞培養(yǎng)基中再水化，以支持多種細胞類型和特定的生物墨水。”可擴展性是FRESH技術的另一個特性。許多現(xiàn)有的生物打印機只能打印像郵票一樣大的東西。作為初步研究的一部分，范伯格和他的團隊創(chuàng)建了一個模擬縫合線和心臟組織彈性的全尺寸生物打印人體心臟模型。


△圖片由 FluidForm 提供

FluidForm 的 FRESH™ 專利技術被證明可以：

1. 生產真正功能性跳動的人體心室和心臟瓣膜

2. 將復雜的分支脈管系統(tǒng)重建到毛細血管尺度

3. 定制細胞排列以產生肌肉纖維和組織各向異性

4. 在大型動物研究中促進組織再生

5. 制造全尺寸器官

取得醫(yī)療進步

自FluidForm公司發(fā)表其研究報告以來，眾多投資者和醫(yī)療領域的知名人士都注意到了它。

●2021年，F(xiàn)luidForm開始與強生醫(yī)療器械公司Ethicon合作，開發(fā)具有真實人體組織特征的生物打印組織。

●2022 年 6 月，Hackensack Meridian Health 及其 Bear's Den 創(chuàng)新計劃宣布投資 FluidForm，以進一步推進其組織技術、手術修復和藥物發(fā)現(xiàn)。

●FluidForm 還獲得了美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH) 和美國國家科學基金會 (NSF) 的資助，并建立了一條生物制造試驗線。


△LulzBot 生物打印機經認證可使用 FRESH 技術。（圖片由 Aleph Objects 提供。）

FluidForm 已經將其技術商業(yè)化。Fargo Additive Manufacturing Equipment 3D（前身為 Aleph Objects）于 2019 年推出了其 LulzBot Bio Printer，這是一款獲得 FRESH 認證的打印機。這款開放式硬件機器與 bioinks 膠原蛋白和其他軟生物材料兼容。其主要目標是組織工程、再生醫(yī)學以及化妝品和藥物測試領域的研究應用。CELLINK 還可以在其 BIO X 打印機上使用 FRESH。使用 FRESH 使組織工程師能夠以更高分辨率和復雜的幾何形狀進行 3D 生物打印。工程師無需花費時間優(yōu)化打印油墨，而是可以跳過該步驟并立即開始打印組織和支架。

未來的行業(yè)應用

雖然 FRESH 技術可能還需要幾年時間才能獲得食品和藥物管理局 (FDA) 批準用于實際植入物，但 FluidForm 表示會繼續(xù)前進并磨練其技術。

●對于其他行業(yè)，尤其是那些需要輕量化應用的行業(yè)，如汽車和航空航天，使用輕質有機硅和其他未改性聚合物來創(chuàng)建復雜的設計可能具有新的潛力。

●高性能聚合物仍然是一種趨勢。除了更輕、更具成本效益外，它們的生產速度通常更快，并且可以制成更復雜的形狀。使用傳統(tǒng)的立體光刻 (SLA) 或數(shù)字光處理 (DLP) 打印它們具有所有優(yōu)點，但也有一些缺點。這些聚合物通常經過改性，需要添加昂貴的顏料，具有低粘度并且不允許多材料打印。FRESH 技術使用戶能夠使用未經改性的各種聚合物和彈性體進行打印。這確保了它們保持其自然特性，并且還可以將不同的材料打印在一起。

●熱塑性長絲和樹脂更容易在標準打印機中使用，但可能不具備所需的熱固性材料質量。由于熱固性材料是一種聚合物基材料，因此可以使用 FRESH 進行打印。由于它們的交聯(lián)性質，熱固性塑料往往更堅固、更硬。當制造商想要一種能夠抵抗軟化和變形的最終產品時，就像熱塑性塑料可能會發(fā)生的那樣，F(xiàn)RESH 可能是一個很有前途的選擇。

●泡沫是另一種難以創(chuàng)造的流行材料。盡管泡沫已在足球頭盔和鞋子等用途中顯示出不錯的前景，但 FluidForm 認為其 FRESH 技術可能會在制造復雜泡沫方面取得進步。該技術的全方位打印能力意味著它可以制造具有桁架和節(jié)點結構的開孔泡沫。增加空隙空間的能力使泡沫更加柔軟，能夠在保持長期機械性能的同時調整彈性和壓縮。

●隨著機器人技術的不斷發(fā)展，軟機器人正成為熱門話題。FRESH 可能會提供新的機會來創(chuàng)造生物混合材料，從而增強生物傳感器和納米材料的傳感能力。FRESH 還允許進行非平面打印——打印具有彎曲層的部件。這種新技術進一步提供了創(chuàng)建獨特幾何形狀的自由度，包括那些需要各向異性特性的幾何形狀，例如 3D 眼鏡。

南極熊認為，F(xiàn)luidForm不斷發(fā)展的技術值得密切關注。

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