3D生物打印是以活體細胞和組織為原材料進行打印的新興技術，科學家希望有朝一日可以通過這項技術從患者自己的細胞中培養器官，以此來解決器官供體短缺的問題。然而，打印活組織和細胞極其復雜，需要克服許多障礙才能實現。
2023年6月11日，南極熊獲悉，UMC Utrecht公司最近開發了三種新的體積生物打印解決方案，它們將推動生物打印技術的發展，使其更具有臨床應用價值。
體積生物打印技術的興起
提及3D 生物打印，人們首先想到的是經典的塑料絲擠出式3D 打印方法，即熔融沉積建模（FDM）。這種方打印法這在過去 15 年左右變得流行，如今這種低成本打印機已被廣泛使用。原則上，應該可以用不同種類的細胞代替塑料絲材，從而打印出生物功能組織。但要實現這一目標，就必須制造出高度精細和差異化的組織：即使是一立方毫米的器官組織也需要毛細血管，因此如果我們想創造我們需要的功能性組織，打印機的門檻需要很高才可以實現在臨床規模上的應用。

隨著生物墨水的發展，擠壓式3D生物打印成為可能。新的噴嘴、營養墨水和預制支架使細胞更容易在這個過程中存活下來。通過同時使用各種墨水，可以沉積不同種類的細胞，從而創造出組織。但是，逐層打印仍然需要很長時間，多立方厘米的物體需要幾個小時，細胞很可能在此過程中死亡。此外，擠壓打印需要能夠承受重力，因此墨水需要堅固，這意味著它們對細胞不是很友好。

為了克服這種緩慢且依賴于重力的過程，生物打印也提出了采用體積打印的模式。在此過程中，帶有特殊凝膠的旋轉小瓶暴露在激光下。激光照射到哪里，光敏凝膠就會迅速凝固。這意味著通過激光 3D 光重建，可以在幾秒鐘內創建多個立方厘米的復雜形狀。現在，雖然這解決了速度和重力的問題，但它也有其自身的缺點。以這種方式，這些光敏凝膠只能包含懸浮的細胞，因此很難控制哪種類型的細胞最終會在哪里，以及目標區域內有多少細胞很難控制。而且由于凝膠很硬，細胞很難移動、伸展和相互流通，而這對于組織的形成甚至功能至關重要。

在烏得勒支再生醫學中心，研究人員一直在努力克服這些挑戰，下面討論的論文分別解決了上述挑戰的一部分。
在打印樣品中創建生物功能區域

體積生物打印技術可以在幾秒鐘內打印出幾厘米大小的物體，為細胞打印提供了多種可能性。該過程的速度與凝膠的細胞友好性相結合是巨大的優勢。然而，當打印完成后，細胞可能不會準確地放置在需要它們的位置，也不可能改變凝膠來幫助細胞的發育、生長或特化以產生功能性組織。因此，克服這個障礙很重要：在我們的身體中，細胞知道去哪里和留在哪里，跟隨它們在特定區域或組織中感知到的信號。

為打印凝膠添加功能
為了能夠在初始打印過程后對打印品進行化學改性，研究人員研究了凝膠的孔隙率，以及其中與凝膠中其他分子結合的化合物。論文的第一作者 Marc Falandt 解釋說：“通過這種技術，可以在幾分鐘內以高空間分辨率將生物分子移植到我們的打印結構上。首先，我們用體積打印機打印基于明膠的結構，然后通過將這些結構注入生物分子和光引發劑，我們可以在明膠結構內創建復雜的 3D 模型。這種方法使我們能夠對希望捕獲生物分子的位置進行三維控制，這在以前不可能的事情。”
通過給細胞一張化學圖來幫助細胞找到它們的路
創新后的體積打印模式，可以將生長因子或生物活性蛋白“涂”在任何所需的 3D 形狀中。例如，引導血管方向和形成的信號分子可以以這樣一種方式放置，即它們創建一條軌跡，僅在 3D 打印對象內部需要的位置和時間吸引新血管。 然后，這些信號可以吸引正確的細胞，或幫助干細胞發揮其再生潛能。Falandt表示：“這項工作真正邁出了開發和表征智能材料的第一步，這些材料允許在三維空間中進行生化編輯。結合快速體積生物打印技術，這種方法非常有希望用于創建可以指導細胞行為和發育的生物制造支架。它可以讓我們用我們的 3D 生物打印來密切模擬天然組織和器官的復雜生化環境。

用于打印電池的顆粒狀凝膠

對于成功制造的組織，打印的細胞需要精心呵護，才能在成品中存活并茁壯成長。如果它們要形成一個功能性組織，它們就需要能夠生長、移動并相互交流。

研究人員已經嘗試了各種打印策略來解決這個問題，它們各有利弊。在 3D 擠壓打印中，可以沉積多種類型的大量細胞，但這個過程需要很長時間，會對細胞造成機械應力并且依賴于重力——所有這些都不利于細胞的存活和功能。通過快速體積生物打印，速度和重力可能已經得到解決，但這里的挑戰是細胞隨機分布在樹脂中且數量較少，并且由于最終打印由固體樹脂組成，因此細胞無法正常移動和交流。
生物打印：LevatoLab，UMC Utrecht，根據 Creative Commons CC-BY 4.0 許可條款轉載 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。139 版權所有 2019，Wiley-VCH 出版 (https:/ /doi.org/10.1101/2023.05.17.541111)創建一個顆粒狀的微世界

為了解決這個問題，用于生物打印的材料必須提供允許細胞自組織和通信的環境。雖然這通常可以通過軟水凝膠實現，但確保這些材料的高打印分辨率和形狀保真度仍然是一個關鍵瓶頸，尤其是在使用傳統的逐層制造技術時。 論文第一作者 Davide Ribezzi 探索了使用顆粒樹脂來克服這些挑戰，相關研究結果以題為“”的論文被發表在《bioRxiv》期刊上，撰稿人為Davide Ribezzi, MarièmeGueye, Sammy Florczak等人。
Ribezzi 說：“顆粒凝膠基本上是由緊密堆積在一起的凝膠微粒構成的。雖然每個微粒都具有與其散裝水凝膠對應物相當的特性，但可以通過設計和定制填充的微凝膠顆粒以增加豐富的功能特性。因此，利用顆粒生物材料是一種很有前途的策略，可以解決打印過程中與大塊細胞封裝和材料可加工性相關的缺點。”

Bioprinting (3) en (4)：LevatoLab，UMC Utrecht，根據知識共享 CC-BY 4.0 許可條款轉載 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。139 版權所有 2019，出版商威利-VCH (https://doi.org/10.1002/adma.202300756)結合不同的打印策略

顆粒狀樹脂確實讓研究人員能夠將擠出和體積打印結合起來。使用擠壓打印，某些細胞或其他化學物質可以專門沉積在樹脂中。這種方法實現了體積打印速度與擠出打印精度之間的平衡。凝膠在打印噴嘴周圍移動，就像奶油凍包圍手指一樣，因此細胞可以快速放置在多層中，而不必擔心結構的強度。然后，體積打印可以通過在擠壓單元周圍創建和細化形狀來完成該過程。
但這個過程并非沒有挑戰。Ribezzi聲稱：“處理生物材料總是需要大量的關注和精心的實驗計劃。但在我們的研究中，我們利用了微凝膠的熱特性，可以精確調整機械和光學特性。這轉化為嵌入細胞感知的可調刺激。然而，這種更高精度的調整在打印過程中需要更高程度的關注和精確度。”
更多生物活性
細胞實驗證實，顆粒狀樹脂在打印后具有更多的生物活性，大大優于固體凝膠。在被打印到樹脂中后的八天內，干細胞能夠擴散得更多，內皮細胞產生更多的連接，神經元樣細胞之間的連接也更多。 Ribezzi 進一步評論說：“對于未來的研究，我們設想了從不同材料中獲得的微凝膠的混合甚至局部圖案化。它將使我們能夠創建具有獨特特性的復合結構，例如藥物的生物活性載體。這些工具將提高組織功能，并為組織工程、再生醫學和工程生物材料的新興領域開辟更多機會。”



功能性血管的生物打印技術
體積生物打印是一種快速技術，可使細胞在打印過程中存活下來。然而，由于這種類型的打印是在對細胞友好的凝膠中完成的，因此產生的打印品在結構上不是很健全。對于必須能夠承受高壓和彎曲的打印血管來說，這是一個問題。出于這個原因，研究人員開始嘗試體積生物打印和熔化電寫的整合。
熔體電寫是一種高度精確的 3D 打印類型，它通過引導熔融（可生物降解）塑料的細絲來工作。它能夠生產出機械強度高且能夠承受力的復雜支架。這里的缺點是它們不能直接在其中打印電池，因為涉及高溫。因此，這里使用體積生物打印是為了實現將載有細胞的凝膠固化到支架上。

整合電子直寫和體積打印技術這一過程從使用熔體電寫創建管狀支架開始。然后將其浸入裝有光敏凝膠的小瓶中，并放置在體積生物打印機中。原則上，打印機的激光可以選擇性地固化位于支架內、支架上和/或周圍的凝膠。 本論文的第一作者 Gabri?l Gr??bacher 說：“為了做到這一點，我們必須將支架放在小瓶的正中央，任何偏離中心的地方都意味著體積打印會被抵消。我們通過在安裝在小瓶上的心軸上打印支架，設法將其完美居中。” 在這項研究中，Gr??bacher 及其同事測試了不同厚度的支架。最后，他們還測試了生物打印凝膠的各種放置方式。這些凝膠可以放置在支架的內側、腳手架本身內部或外部。通過使用兩種不同標記的干細胞，該團隊能夠打印出具有兩層干細胞的原理驗證血管，并在中心種植上皮細胞以覆蓋血管腔。從試管到功能性容器這項設計還可以允許在打印品的側面打孔，從而有可能控制血管的滲透性，使血液發揮其功能。最后，研究人員還創造了更復雜的結構，如分叉血管，甚至是帶有靜脈瓣膜的血管，這些靜脈瓣膜可維持單向流動。 Gr??bacher表示：“這是對原理研究的證明。我們現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。這意味著在上皮細胞周圍添加肌肉細胞和纖維組織。我們現在的目標是打印功能性血管。” 雖然這些創新為推動生物打印提供了有趣的選擇，但如果它們可以結合和擴展，效果會最好。研究小組組長 Riccardo Levato 表示：“能夠將生物活性分子打印成使用顆粒狀凝膠的打印品，這意味著細胞可以更好地利用分子信息，并與鄰近的細胞一起生長發育成組織。
責任編輯：彭菁