从材料到活体器官,生物3D打印有望绘就生命蓝图 

3D打印应用 /[医疗]
发布时间: 2022-06-17 10:50
在支持器官结构保真度的打印策略开发上,生物打印新材料的开发仍存在着一定的研发差距。

生物3D打印是一种计算机辅助技术,通过逐层精确定位生物材料、活细胞,以及设计放置这些功能部件来支持生物部件的工程。目前有些媒体已经报道过一些典型的技术项目,包括着色皮肤、视网膜、心脏和肺部组织模型的生物3D打印。

生物3D打印中的功能部件主要是使用的生物墨水,是由细胞包覆水凝胶等生物材料的细胞组成的配方。就像3D打印一样,生物3D打印能够以机械化、系统化和优良化的方式沉积材料。由于在打印过程中增加了生物细胞的元素,在开发功能性3D生物打印的设计原则和策略时,也面临一些挑战。
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为了确保细胞在生物打印过程中存活,并且打印后还能保持长期培养的功能,需要配备整体的制造策略。在打印后的组织成熟过程中发生的细胞材料重塑相互作用,增加了工艺流程的额外维度。因此,这种计算机辅助的组织工程涉及各种技术和学科的相互作用,如发育生物学、干细胞、计算科学和材料科学。

目前的生物打印技术能够以微米级的精度沉积材料,即材料挤压、材料喷射、光聚合、自由形式的空间打印。生物打印技术中的数字器官蓝图再现了工程生物人工组织中原生组织的分层微环境通过协调不同长度尺度的材料沉积过程或组合额外的生物分子,可以重建具有异质细胞外基质材料密度的功能梯度。
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此外,可以创新地利用生物打印过程来生成组织的功能设计。实践证明,通过应用基于挤压的生物打印技术,我们能够以创造性的方式捕获剪切应力,从而在打印的组织中实现宏观细胞排列。大尺寸的细胞排列对于心脏和肌肉骨骼的应用至关重要。为此,我们还研究了使用专门的喷墨打印机(如HP D300e数字分配器)沉积细胞的纳米液滴。
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在支持器官结构保真度的打印策略开发上,生物打印新材料的开发仍存在着一定的研发差距。利用导电水凝胶,与生物打印结构中的细胞连接,提供生物化学和生物物理的刺激线索。通过协同刺激来调节细胞行为将提高工程组织的功能,这种设想为下一代智能仿生组织模型的应用提供了希望。
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导电水凝胶生物墨水的制备(左)及支架的生物3D打印(右)流程示意图
(图片来源:中国科学院)

总之,要在3D生物打印中实现对形状和分辨率的精确控制,需要跨越多个学科的系统工程和设计思维。将新的数字技术和先进的传感器融入到生物打印中,是未来仿生器官发展的一个重要趋势。将3D生物打印与工业4.0的必然性结合起来,推动未来医疗的创新,创造从医疗设备到工程组织和器官的新疗法。
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