UMC UTRECHT 的研究人員在體積生物打印方面取得了重大創(chuàng)新

南極熊獲悉，UMC Utrecht的科學家在體積生物打印方面取得了多項創(chuàng)新。 生物打印是活細胞和組織的 3D 打印，是一種增材制造技術，具有醫(yī)療應用潛力。然而，3D 打印活細胞和組織面臨著許多挑戰(zhàn)。



UMC Utrecht 研究人員在該領域取得了三項關鍵進展，希望這些進展將有助于擴大 3D 生物打印的臨床應用：

●在3D打印細胞中創(chuàng)建生物功能區(qū)域；
●使用顆粒凝膠優(yōu)化 3D 生物打印細胞；
●將體積生物打印與熔體電寫相結(jié)合3D打印血管。   

具有生物功能區(qū)域的3D打印細胞


原文下載地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/admt.202300026

這一項關鍵創(chuàng)新與 3D 打印細胞的生物功能有關。將體積生物打印與專用凝膠結(jié)合使用，可以在幾秒鐘內(nèi)將細胞打印出來。然而，傳統(tǒng)的 3D 生物打印方法不允許對這些細胞進行精確操作和準確放置在需要它們的地方。此外，無法對凝膠進行編輯以實現(xiàn)細胞的發(fā)育、生長和特化。  研究人員致力于在初始3D生物打印過程后對3D打印材料進行化學變化。為實現(xiàn)這一目標，研究人員編輯了凝膠的孔隙率以及與凝膠中其他分子結(jié)合的內(nèi)部化合物。

研究人員使用體積打印機打印基于明膠的結(jié)構(gòu)，然后通過將這些結(jié)構(gòu)注入生物分子和光引發(fā)劑，可以在明膠結(jié)構(gòu)內(nèi)創(chuàng)建復雜的 3D 模型。這使得體積3D生物打印組織成為可能，這些組織可以“涂”入其中的生長因子或生物活性蛋白。論文作者Falandt認為這是創(chuàng)建可生化編輯的智能材料的重要一步，對于創(chuàng)建可以指導細胞行為和發(fā)育的生物制造支架非常有前途。

使用顆粒狀凝膠進行 3D 生物打印優(yōu)化細胞


原文下載地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.17.541111v1

3D 打印的細胞需要特別注意，以確保它們能夠生存和茁壯成長。此外，細胞能夠生長、移動和交流至關重要。擠出 3D 打印允許大量沉積各種細胞類型。然而，這個過程非常耗時，依賴于重力，并且會對細胞造成機械應力。雖然體積生物打印不具備速度或重力依賴性的缺點，但它確實隨機分布細胞，并且數(shù)量很少。此外，細胞無法有效運作和溝通。因此，必須使用軟水凝膠等材料，它們可以實現(xiàn)細胞的自我組織和交流。然而，傳統(tǒng)的軟水凝膠在 3D 打印分辨率和形狀保真度方面存在問題，為此，研究人員使用顆粒狀樹脂來克服這些挑戰(zhàn)。

論文的第一作者Davide Ribezzi表示：“顆粒凝膠基本上是緊密堆積在一起的凝膠微�？梢栽O計和定制填充的微凝膠顆粒，具有廣泛的附加特性。”在擠出3D打印過程中，細胞和其他化學物質(zhì)可以快速準確地沉積在樹脂中。然后使用體積 3D 打印通過在擠壓細胞周圍創(chuàng)建形狀來完成該過程。   對細胞進行的實驗強調(diào)，顆粒狀樹脂在打印后具有更多的生物活性。在 3D 打印后的八天內(nèi)，干細胞能夠擴散得更多，上皮細胞產(chǎn)生更多的連接，神經(jīng)元樣細胞建立更多的連接。     

   
△復雜的共培養(yǎng)模型包含兩個不同的 iβ 細胞組（用不同的熒光親脂性膜染料染色），嵌入具有中央通道的體積打印結(jié)構(gòu)中。

合并生物打印技術以獲得更強壯的功能性血管


原文下載地址：https://doi.org/10.1002/adma.202300756

由于體積生物打印使用對細胞友好的凝膠，因此最終的 3D 打印結(jié)構(gòu)通常很脆弱。這在生產(chǎn)需要承受高壓和彎曲的血管時會帶來問題。因此，研究人員將體積生物打印與熔體電寫結(jié)合起來，創(chuàng)造出更堅固、更耐用的結(jié)構(gòu)。熔體電寫使用細長的熔融塑料絲來 3D 打印復雜而堅固的支架。然而，由于涉及高溫，電寫不能直接 3D 打印電池。

為了解決上述問題，研究人員使用體積生物打印以將載有細胞的凝膠固化到支架上。將 3D 打印的管狀支架浸入一小瓶光敏凝膠中，然后放入體積打印機中。然后 3D 打印機的激光可以選擇性地將凝膠固化到支架上。


△用 20、40 或 60 層熔體電寫支架強化體積打印管的效果。

研究人員測試了各種支架厚度和生物打印凝膠的不同位置，還 3D 打印了一個原理性的血管，它有兩層干細胞，中間有一層上皮細胞。這種設計允許在 3D 打印的側(cè)面包含孔，從而為控制血管的滲透性提供了可能性。還生產(chǎn)了更復雜的結(jié)構(gòu)，包括叉形血管和帶有靜脈瓣膜的血管。   該研究的第一作者 Gabriël Größbacher 評論道“這是原理研究的證明。我們現(xiàn)在需要做的是用作為真實血管一部分的功能細胞替換干細胞�！�


△帶有上皮細胞（紫色）和兩種類型的干細胞（藍色、黃色）的生物打印血管的橫截面，以模擬血管壁的層。

3D生物打印的發(fā)展  

近十年來，3D生物打印變得越來越火熱，已從專門用于學術研究的3D生物打印系統(tǒng)擴展到一個商業(yè)化領域。目前，生物打印系統(tǒng)的硬件能力不斷提高、商業(yè)化、材料標準化趨勢明顯。可以說，生物打印行業(yè)的各個方面都蓬勃發(fā)展，持續(xù)創(chuàng)新，在市場中開拓出一番天地。

2023年2月，3D Systems宣布了再生組織計劃 (RPT) 的計劃，以開發(fā)和商業(yè)化生物打印的人體組織。第一個 RPT 是患者特異性再生乳腺組織 (RBT)。使用 3D 建模和 3D 生物打印以及虛擬手術規(guī)劃 (VSP) 系統(tǒng)，3D Systems 可以設計和 3D 打印與患者的解剖學和生理學相匹配的生物整合支架。

2023年4月，斯旺西大學的研究人員正在開發(fā)一種3D打印純素鼻子，用于那些需要人工鼻移植的人。在此過程中，納米纖維素水凝膠和透明質(zhì)酸被用作生物墨水來 3D 打印人造軟骨支架。然后通過生物催化劑將其固化以增加其強度。然后將 3D 打印的支架浸泡在患者軟骨細胞的溶液中，然后再通過手術植入。