作者：江耘發(fā)布日期：2018-09-30

氣流輔助異質(zhì)螺旋微球類器官的成型工藝

3D打印的螺旋異質(zhì)凝膠微球

　　第二看臺(tái)

　　3D打印活體器官的夢想盡管遙遠(yuǎn)，但人類正向它一步步逼近。浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種新型生物3D打印方法，能夠操控不同種類的細(xì)胞形成特定結(jié)構(gòu)的微球，進(jìn)而長成具有生物活性的微組織。相關(guān)論文近日作為封底文章刊登在《SMALL》雜志上。

　　這一方法將為體外重建類器官、開發(fā)更為高效的器官芯片、實(shí)施更有效的細(xì)胞治療等提供有效路徑。

　　“模型”很多，至今無法植入

　　如果有一天，人類能夠自由制造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來源就不再成為問題。但要真正實(shí)現(xiàn)活體器官的3D打印，路途還是有點(diǎn)遠(yuǎn)。

　　在3D打印的“初級(jí)階段”，人類已經(jīng)能夠精準(zhǔn)地打印牙齒、骨骼等組織結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的零部件，并應(yīng)用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實(shí)現(xiàn)整形。如果要把打印目標(biāo)擴(kuò)展到人體所有“零件”，挑戰(zhàn)就大多了。

　　首先，你要保證人造器官能夠適應(yīng)人體的力學(xué)環(huán)境，不能太硬、太軟或者塌陷；其次，器官要能夠存活并發(fā)揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心臟“模型”已經(jīng)很多，但至今沒有一個(gè)真正的3D打印心臟能夠成功植入生物體。

　　“我們?cè)囋嚹芊裣葘?shí)現(xiàn)一個(gè)小目標(biāo)，打印生物活性的微組織。”賀永說。

　　天然的生物組織比我們想象的復(fù)雜。比如血管是由成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。平滑肌維持了血管的彈性，內(nèi)皮細(xì)胞分泌生長因子防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細(xì)胞打印到一起，形成特定的結(jié)構(gòu)。”賀永說。

　　靠一股氣流，三維結(jié)構(gòu)在微小空間成型

　　三年前，課題組開始了嘗試。他們將不同的細(xì)胞分別用水凝膠包裹制成“生物墨水”，在一個(gè)微流控芯片噴頭的控制下，一點(diǎn)點(diǎn)“吐”出多組分細(xì)胞微滴。

　　“用這臺(tái)機(jī)器，我們‘打’出了血管化的骨組織。”賀永說，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。其中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可定向分化為成骨細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)形成血管化細(xì)胞。經(jīng)過幾天實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。

　　用這種方法，實(shí)驗(yàn)室還做出了玫瑰花、螺旋狀微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米左右?？傊?，可以操縱細(xì)胞形成特定的“隊(duì)形”。

　　“生物墨水”的組分之一水凝膠是有名的“軟”物質(zhì)，要對(duì)這么軟的材料進(jìn)行精準(zhǔn)操控，是一項(xiàng)頗為艱巨的挑戰(zhàn)。課題組用一陣“風(fēng)”巧妙解決這個(gè)難題：在一股微氣流的吹動(dòng)下，噴頭吐出的液滴不會(huì)馬上落下，而是會(huì)旋轉(zhuǎn)起來，此時(shí)再根據(jù)數(shù)學(xué)建模控制不同組分生物墨水下降的方向，就能形成精致的立體結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程，有點(diǎn)像我們?cè)谵D(zhuǎn)動(dòng)的蛋糕模具上裱花，讓不同細(xì)胞形成特定的立體“編隊(duì)”。

來源：科技日?qǐng)?bào)