據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自美國新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）的研究人員正在使用計(jì)算建模技術(shù)來推進(jìn)基于微流控的3D生物打印的發(fā)展，希望有一天能夠用3D打印來制造出完整的人體器官。

當(dāng)今許多最先進(jìn)的生物打印機(jī)都基于擠壓工藝，借由此工藝，生物墨水（滿載人工培養(yǎng)細(xì)胞的水凝膠）通過噴嘴進(jìn)行沉積，從而構(gòu)建出特征尺寸約為200微米的組織結(jié)構(gòu)。

基于微流控的生物打印機(jī)則通過在微通道精確操控流體來運(yùn)行，可以打印特征尺寸僅為數(shù)十微米的結(jié)構(gòu)，這更接近于單細(xì)胞尺寸水平。如果我們想讓3D打印器官成為現(xiàn)實(shí)，那么這就是一條可以實(shí)現(xiàn)的途徑。

這項(xiàng)研究工作由史蒂文斯大學(xué)舍費(fèi)爾工程與科學(xué)學(xué)院（Stevens’ Schaefer School of Engineering & Science）副教授Robert Chang領(lǐng)導(dǎo)，他表示：“特征尺寸非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響器官的生物學(xué)特性。達(dá)到人體細(xì)胞水平的特征尺寸，使我們能夠打印出合適的結(jié)構(gòu)，從而可以模擬那些我們試圖模擬的生物特征。”

BICO生產(chǎn)的基于擠壓工藝系統(tǒng)的Bio X 3D生物打印機(jī)

邁向人體器官移植

對于患有嚴(yán)重疾病的人來說，器官移植可以挽救生命，但缺乏合適的器官捐獻(xiàn)者一直是無法有效解決的問題。根據(jù)美國衛(wèi)生與公眾服務(wù)部衛(wèi)生資源與服務(wù)管理局移植處（DoT）的數(shù)據(jù)，目前等待移植的名單上有超過10萬名患者，其中每天約有17人在等待捐獻(xiàn)中死亡。

長期以來，3D生物打印技術(shù)一直被認(rèn)為是該問題的一種潛在解決方案，但技術(shù)發(fā)展進(jìn)程緩慢意味著我們離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。就目前而言，生物打印機(jī)擅長制造簡單的單細(xì)胞組織和結(jié)構(gòu)，但Robert Chang及其團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，微流控技術(shù)可能是設(shè)計(jì)幾乎任何類型的復(fù)雜組織的關(guān)鍵——包括所有重要的器官，甚至是可以直接在開放性傷口上打印的皮膚。

Robert Chang表示：“實(shí)現(xiàn)按需構(gòu)建新器官，在不需要人類捐獻(xiàn)者的情況下挽救生命，對醫(yī)療系統(tǒng)會(huì)是巨大的利好。然而，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)是很困難的，因?yàn)槭褂蒙锬蛴∑鞴傩枰獙Υ蛴〉奈⒗w維的幾何形狀和尺寸進(jìn)行一定程度的精細(xì)控制，而目前的3D打印機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)?！?/p>

除了可以達(dá)到更小的尺寸水平外，基于微流控的工藝還可以與多種生物墨水兼容。每一種生物墨水都可能包含不同細(xì)胞類型的前體，因此使用者可以將它們混合在一起，實(shí)現(xiàn)單一組織結(jié)構(gòu)的打印。這對于肝臟和腎臟等復(fù)雜器官至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈円蕾囉诙喾N細(xì)胞類型的協(xié)同工作。

3D生物打印計(jì)算建模

將3D生物打印的特征尺寸縮小到幾十微米并非易事，需要研究各種參數(shù)（如流速、通道結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力學(xué)）如何影響打印組織結(jié)構(gòu)的特性。為此，Robert Chang及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種微流控打印頭的計(jì)算模型，用于控制流速和流體動(dòng)力學(xué)等參數(shù)。該模型允許他們微調(diào)參數(shù)并預(yù)測這將會(huì)對工藝產(chǎn)生何種影響，而無需進(jìn)行繁瑣的物理實(shí)驗(yàn)。

該研究的第一作者Ahmadreza Zaeri表示：“我們的計(jì)算模型提出了一種公式提取算法，可用于預(yù)測從微流控通道中擠壓出的制造結(jié)構(gòu)的各種幾何參數(shù)?！?/p>

通過模擬現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以更好地了解如何打印各種器官結(jié)構(gòu)。研究成果將用于開發(fā)多細(xì)胞型生物墨水。Robert Chang還致力于將基于微流控的生物打印技術(shù)用于直接在傷口上制造皮膚。相關(guān)工作現(xiàn)已發(fā)表在國際期刊Scientific Reports上。

基于微流控的打印頭建模設(shè)計(jì)示意圖及數(shù)值建模參數(shù)

這當(dāng)然不是微流控技術(shù)第一次成為增材制造領(lǐng)域的頭條新聞。今年早些時(shí)候，總部位于北卡羅來納州的醫(yī)療3D打印初創(chuàng)公司菲斯股份（Phase Inc）與弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Tech）達(dá)成合作，共同推進(jìn)微流控在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。為此，菲斯和弗吉尼亞理工大學(xué)將共同使用菲斯專有的LE3D打印技術(shù)開發(fā)新型微流控器件，幫助研究人員針對腦癌等疾病制定新的更先進(jìn)的醫(yī)學(xué)治療方法。

此外，布里斯托大學(xué)（University of Bristol）的研究人員此前開發(fā)了一種新型低成本、開源的3D打印工藝，用于生產(chǎn)微流控器件。該工藝降低了制造微流控器件的成本和復(fù)雜性，使其更容易被推廣——只需要具備簡單的家用設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)桌面級3D打印機(jī)即可使用，而且此工藝已開發(fā)了免費(fèi)使用軟件。

到目前為止，研究人員表示他們已經(jīng)使用3D打印支架制造了膀胱。但通過混合多種生物墨水，他們希望可以將這項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用到更多的人體器官打印。Robert Chang最后表示：“能夠在這種尺寸水平進(jìn)行操作，同時(shí)精確混合生物墨水，使我們能夠復(fù)制任何人體組織類型。這項(xiàng)技術(shù)仍然很新穎，以至于我們不知道它可以帶來什么樣的變革。但我們知道這將為構(gòu)建新結(jié)構(gòu)和具有重大價(jià)值的新型生物學(xué)研究打開大門?！?/p>

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-07392-0

審核編輯 ：李倩