生物墨水的案例
清華大學(xué)張婷、熊卓團(tuán)隊(duì)：用于3D打印的載細(xì)胞微凝膠基雙相生物墨水
研究者使用海藻酸鈉和GelMA作為墨水的前驅(qū)體發(fā)現(xiàn)，擠出打印所需的流變特性依賴于微凝膠的緊密堆積狀態(tài)，而與微凝膠和第二網(wǎng)絡(luò)的組成無(wú)關(guān)。
圖2 MB生物墨水的流變性及組成的多樣性
接下來(lái)研究者研究了MB生物墨水的可打印性，發(fā)現(xiàn)由于阻力較小，微凝膠被間隙水凝膠前體均勻擠出，通過(guò)405nm燈后交聯(lián)進(jìn)一步穩(wěn)定，相鄰層間有良好的互聯(lián)性。并且該生物墨水能夠打印出各種復(fù)雜的人體器官仿生結(jié)構(gòu)。（圖3）
圖3 使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度
然后研究者比較了不同墨水的力學(xué)性能，與GelMA本體水凝膠相比，MB生物墨水和JM生物墨水表現(xiàn)出更大的彈性，此外，對(duì)于MB生物墨水來(lái)說(shuō)，微凝膠在壓縮條件下被進(jìn)一步限制在第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，因此與JM生物墨水相比具有相對(duì)較高的彈性模量。MB生物墨水具有非凡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和循環(huán)性能。（圖4）
圖4 MB生物油墨打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)表征
研究者將HepG2和HUVEC分別封裝在MB生物墨水的微凝膠和水凝膠前體中打印肝組織。發(fā)現(xiàn)HUVEC主要存在于MB生物墨水組的微凝膠間區(qū)域。與純水凝膠生物墨水相比，MB生物墨水組的HUVEC在第3和第7天表現(xiàn)出更高的增殖率，且形態(tài)延長(zhǎng)，通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞組裝形成隨機(jī)的管狀血管結(jié)構(gòu)，覆蓋在HepG2微凝膠表面。MB生物墨水中有一個(gè)相對(duì)成熟的肝細(xì)胞基因和蛋白表達(dá)譜，能夠增強(qiáng)肝功能和肝臟特異性基因和蛋白的表達(dá)。
展開(kāi) 弗萊堡大學(xué)Prasad Shastri實(shí)驗(yàn)室《Adv.Sci》綜述：連接3D生物打印和臨床轉(zhuǎn)化的生物橋梁
自3D 生物打印首次被報(bào)道后，該領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的組織工程，3D生物打印具有能夠制造特定結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，是有望能轉(zhuǎn)化進(jìn)入臨床應(yīng)用的生物制造方法。然而截至目前很少有真正進(jìn)入臨床試驗(yàn)的研究，究其原因在于研究3D生物打印的科學(xué)家和臨床醫(yī)生所關(guān)注的點(diǎn)不同，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。如何跨越這道鴻溝，步入臨床應(yīng)用的通途是3D生物打印領(lǐng)域接下來(lái)面臨的挑戰(zhàn)。作為生物打印的主體，生物墨水的角色尤其重要。3D生物打印的臨床轉(zhuǎn)化與新一代的生物墨水的開(kāi)發(fā)密不可分。對(duì)此，弗萊堡大學(xué)高分子研究所的Shastrilab對(duì)目前3D生物打印技術(shù)（擠壓成型式）進(jìn)行了總結(jié)并提出生物墨水開(kāi)發(fā)的五個(gè)階段（TRL1-5），生物墨水需要具備的特性和標(biāo)準(zhǔn)化的工具，以期對(duì)未來(lái)研究3D生物打印的研究者提供一些參考（圖1）。
圖1 生物墨水開(kāi)發(fā)的五個(gè)階段以及各階段涉及到的標(biāo)準(zhǔn)化工具
此前有學(xué)者將生物墨水定義為“能夠適用于自動(dòng)化制造和成型的包含細(xì)胞的配方，可包含生物活性成分和生物材料”。這一定義強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞在生物墨水中的重要性。然而在真實(shí)的打印中，生物材料本身的作用不可忽視。在構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的例子中，細(xì)胞的打印幾乎離不開(kāi)生物材料的支撐。生物材料不僅扮演了傳遞細(xì)胞的作用，其本身對(duì)細(xì)胞和其他生物活性物質(zhì)的影響更是不容小覷。早在本世紀(jì)初年就有學(xué)者提出生物材料的指引作用，其給內(nèi)含細(xì)胞提供了機(jī)械力、物理、化學(xué)和生物信號(hào)。因此本文將生物墨水中的介質(zhì)（生物材料）比喻為空白的畫(huà)布，通過(guò)后期的控制和改性具有特定的生物學(xué)功能和理化特性，比如引入特殊的基團(tuán)控制其交聯(lián)機(jī)制，調(diào)控內(nèi)部原有基團(tuán)的比例而操控硬度，或者接枝生物小分子使其具備特定的生物功能。
展開(kāi) 3D打印新生物材料有助于骨骼修復(fù)再生
骨組織工程(BTE)是材料科學(xué)和生物工程領(lǐng)域的一個(gè)新興領(lǐng)域，研究人員致力于設(shè)計(jì)一種理想的仿生材料，優(yōu)化當(dāng)前的骨骼輔助修復(fù)手段。盡管目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)成果能從實(shí)驗(yàn)臺(tái)上轉(zhuǎn)移到臨床領(lǐng)域，但在結(jié)合了各類尖端技術(shù)的研究中，已經(jīng)出現(xiàn)不少令業(yè)內(nèi)人士興奮的新方法。從實(shí)驗(yàn)室的生物制造過(guò)程來(lái)看，細(xì)胞、蛋白質(zhì)、生物成分和生物材料的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模的再生醫(yī)學(xué)材料制造。
傷筋動(dòng)骨還要一百天？3D打印新生物材料有助于骨骼修復(fù)再生
德累斯頓大學(xué)(TU Dresden)醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)化骨、關(guān)節(jié)和軟組織研究中心(Centre for Translational Bone，簡(jiǎn)稱CBT)的研究人員在《生物制造》(Biofabrication)雜志上撰文指出，他們研發(fā)了一種磷酸鈣接合劑配方，通過(guò)將活的生物細(xì)胞封裝在3D打印BTE材料的生物墨水中，建立類似于基質(zhì)的支架。研究人員最初提出的制造方案，主要方向是為細(xì)胞在糊狀磷酸鈣骨接合劑(CPC)中存活提供最佳條件，隨后，他們又提出了一種用于骨發(fā)育和軟骨發(fā)育的軟骨組織移植模型。
制造仿生材料是高度復(fù)雜的工程，細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)雜的特性，使其天然難以使用現(xiàn)有技術(shù)再現(xiàn)。因此，組織工程的主要目標(biāo)是，開(kāi)發(fā)功能相似的結(jié)構(gòu)和類似于組織或器官的生物/化學(xué)成分。由于生物礦化材料更適合設(shè)計(jì)骨骼模擬基質(zhì)，格林斯基(Gelinsky)和他的同事們使用了一種多通道3D打印技術(shù)，將自定CPC與間充質(zhì)干細(xì)胞生物墨水結(jié)合起來(lái)。這種含有人類細(xì)胞的生物墨水是用海藻酸酯甲基纖維素(alg/mc)混合制成的，由同組研究人員早前研發(fā)。
總的來(lái)說(shuō)，新型生物材料包括可標(biāo)繪CPC、載有細(xì)胞的生物墨水和納米晶羥基磷灰石(HAp)，在3D打印生物支架生物淋溶器中通過(guò)多通道擠壓，制成高剛度、骨狀礦物結(jié)構(gòu)的支架以支持細(xì)胞生長(zhǎng)。
展開(kāi) ：冷凍生物打印技術(shù)的研發(fā)、優(yōu)化和應(yīng)用
現(xiàn)有生物打印組織的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是由于制造和儲(chǔ)存的復(fù)雜性而難以廣泛應(yīng)用。近日，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組報(bào)道了一種獨(dú)特的冷凍生物打印策略，通過(guò)結(jié)合擠出式生物打印和冷凍保存，同時(shí)制備和冷凍保存負(fù)載細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用具有精確可控溫度的冷凍板設(shè)計(jì)以及冷凍保護(hù)生物墨水的優(yōu)化，來(lái)研究冷凍生物打印的可行性和有效性（圖 1）。有意思的是，原位冷凍過(guò)程進(jìn)一步提高了載有細(xì)胞的水凝膠生物墨水的可打印性，以實(shí)現(xiàn)打印自由形式的結(jié)構(gòu)。研究進(jìn)一步評(píng)估了生物墨水不同成分在低溫冷凍生物打印環(huán)境下對(duì)細(xì)胞活性的影響，而功能性最終通過(guò)細(xì)胞分化和雞胚離體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法將對(duì)生物打印組織結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，使得其將來(lái)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化性得以顯著提高。
圖1 用于同時(shí)制備和冷凍保存的冷凍生物打印示意圖。
該文章以“Freeform Cell-Laden Cryobioprinting for Shelf-Ready Tissue Fabrication and Storage”為題發(fā)表在《Matter》上。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、McGill大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士Hossein Ravanbakhsh，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士羅澤宇，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、鄭州大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者張響為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授。
展開(kāi) 
Biomacromolecules：富含巰基的多功能高分子交聯(lián)劑用于生物打印
基于擠出的生物打印是一種新興的3D打印技術(shù)，適合制造細(xì)胞裝載的特殊結(jié)構(gòu)。“生物墨水”影響著打印可行性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及打印后細(xì)胞的活力。通常，水凝膠是細(xì)胞封裝和培養(yǎng)的理想材料，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種通過(guò)擠出成形或光照形成水凝膠的生物墨水材料，例如膠原蛋白、海藻酸鹽、明膠甲基丙烯酰(GelMA)、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)等。
其中，基于 GelMA 的生物打印材料在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)得更良好，它具有易于處理、免疫原性低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。此外，作為一種基于明膠的水凝膠，GelMA包含肽可裂解的序列，例如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 (RGD) 和基質(zhì)金屬肽酶 (MMP)基序，這對(duì)細(xì)胞粘附、遷移和生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
然而，GelMA在交聯(lián)機(jī)制方面卻有著明顯的缺陷，因?yàn)樗ㄟ^(guò)自由基介導(dǎo)的鏈增長(zhǎng)聚合進(jìn)行光交聯(lián)，容易受到氧抑制并導(dǎo)致活性氧(ROS)積累，這對(duì)裝載的細(xì)胞或蛋白來(lái)說(shuō)是不利的，非常容易造成細(xì)胞的死亡或蛋白功能的喪失。相較于此，硫醇-烯化學(xué)的簡(jiǎn)單高效、對(duì)環(huán)境氧氣不敏感，并且其逐步增長(zhǎng)聚合的過(guò)程中會(huì)消耗ROS，從而保留了細(xì)胞和蛋白質(zhì)的生物活性。
因此，本文作者以明膠-降冰片烯(GelNB)為生物墨水基質(zhì)，以硫醇化肝素(HepSH)為交聯(lián)劑，擠出后在光照條件下(365 nm)通過(guò)快速的逐步聚合制備了適合細(xì)胞負(fù)載的GelNB/HepSH水凝膠(圖1)。
圖1. 分別利用
GelMA 和
GelNB/HepSH 生物墨水進(jìn)行細(xì)胞負(fù)載生物打印的示意圖。
展開(kāi) 韓國(guó)研究人員3D打印功能性氣管芯片
通過(guò)創(chuàng)建含有從豬氣管分離的細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）和從人氣管分離的粘膜細(xì)胞的混合物的生物墨水，研究團(tuán)隊(duì)能夠3D打印具有與上皮細(xì)胞連接的血管網(wǎng)絡(luò)的裝置。該研究的主要作者Ju Young Park解釋說(shuō)：“我們通過(guò)在一步印刷過(guò)程中使用dECM生物墨水組裝內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，再現(xiàn)了一種類似體內(nèi)的3D血管網(wǎng)絡(luò)。”
“我們生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)具有與生物氣道上皮細(xì)胞相同的生理功能，因此可用于模擬哮喘等疾病，”P(pán)ark說(shuō)，他們?cè)敿?xì)說(shuō)明印刷的氣道暴露于塵螨時(shí)表現(xiàn)出天然的過(guò)敏反應(yīng)。 “例如，血管的存在導(dǎo)致我們的氣道模型中過(guò)量產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子。這個(gè)過(guò)程（也稱為“細(xì)胞因子風(fēng)暴”）發(fā)生在哮喘氣道炎癥和過(guò)敏原誘導(dǎo)的生理環(huán)境中的哮喘惡化過(guò)程中。
該研究中使用的六頭3D生物打印機(jī)相當(dāng)先進(jìn)。 “其中兩個(gè)打印頭連接到一個(gè)氣動(dòng)壓力系統(tǒng)，該系統(tǒng)分配合成聚合物以制造氣道支撐框架，”P(pán)ark評(píng)論道。 “其他四個(gè)打印頭在三軸電動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)行，我們使用計(jì)算機(jī)程序控制它們的運(yùn)動(dòng)。”
人體呼吸道非常復(fù)雜，膜層彼此相互作用。 “為了模仿這種復(fù)雜的2D / 3D結(jié)構(gòu)和氣道粘膜的細(xì)胞組成，我們?cè)?D血管平臺(tái)上組裝了一個(gè)2D氣道上皮，”P(pán)ark解釋道。 “我們通過(guò)3D細(xì)胞印刷重建了含有內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的dECM生物墨水的自然3D血管網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，dECM生物墨水為細(xì)胞提供了一種體內(nèi)樣的天然組織生態(tài)位，可誘導(dǎo)組織特異性分化和功能。
盡管涉及復(fù)雜程度，但3D生物打印技術(shù)比其他制造芯片上器官的方法更有效。 “我們的3D細(xì)胞打印系統(tǒng)使我們能夠以高通量輕松制作氣道原型，并允許我們將各種類型的細(xì)胞直接放置在氣道結(jié)構(gòu)的特定位置，以模擬細(xì)胞如何在自然組織中排列，”P(pán)ark說(shuō)。 “該技術(shù)可用于設(shè)計(jì)多種類型的芯片，甚至可以用于除氣道以外的印刷器官模型。”
展開(kāi) ：數(shù)字光處理三維生物打印可調(diào)控梯度結(jié)構(gòu)
Shrike Zhang教授課題組開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字光處理 （DLP）方法的可調(diào)控梯度三維生物打印平臺(tái)。將微流控混合器整合至打印機(jī)生物墨水槽的前端，可精確、即時(shí)的通過(guò)調(diào)控墨水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)生物墨水的梯度變化（圖1）。該設(shè)計(jì)同時(shí)免于更換生物墨水時(shí)的沖洗步驟，進(jìn)一步提高了梯度打印的打印速度并且達(dá)到節(jié)約墨水的目的。
圖1 可組合梯度 DLP三維生物打印平臺(tái)由微流控混合器墨水槽及DLP打印系統(tǒng)組成。
基于該打印平臺(tái)，研究人員成功構(gòu)建了一系列二維及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的垂直和/或水平方向上的梯度（圖2）。這些離散或連續(xù)的梯度通過(guò)使用具有2個(gè)或多個(gè)入口的微流控混合器芯片完成，并且所有梯度控制都可以在單次打印過(guò)程中實(shí)時(shí)的輕松實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，這里梯度的離散或連續(xù)取決于打印文件圖案被劃分的數(shù)目。即圖案劃分的數(shù)目越多，可獲得越精細(xì)的梯度。例如，將魔方的打印模型分為 2×2×2、3×3×3 和 6×6×6 塊，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整兩種墨水的 2、3 和 6 組不同的流體比率獲得混合后的墨水，可以在打印的魔方結(jié)構(gòu)中達(dá)到從離散到接近連續(xù)的梯度分布。同時(shí)，連續(xù)的細(xì)胞密度梯度打印實(shí)驗(yàn)表明了該方法產(chǎn)生的梯度具有可逆性、可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且與設(shè)計(jì)的生物墨水流量高度吻合（圖3）。
圖2 由可組合梯度 DLP 打印體系打印獲得的二維和三維包含垂直和/或水平梯度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
圖3 細(xì)胞密度梯度生物打印的結(jié)果顯示了與生物墨水流量相符的細(xì)胞密度梯度。
許多組織由分布不均勻的多種細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)類型組成，其在細(xì)胞功能的建立和細(xì)胞間通訊中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
展開(kāi) 蘇州納米所在生物3D打印用于脊髓損傷修復(fù)研究方面獲重要進(jìn)展
近年來(lái)生物3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為脊髓損傷修復(fù)提供了新的策略。將生物材料、細(xì)胞以及生物活性因子等組成的生物墨水進(jìn)行活細(xì)胞打印，通過(guò)精確調(diào)控生物墨水中各組分比例以及打印條件，可以更好地模擬組織或器官的力學(xué)性能、生理結(jié)構(gòu)和生物功能，從而實(shí)現(xiàn)組織/器官的快速精準(zhǔn)制造與損傷修復(fù)。由于神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）的敏感性和脆弱性，基于NSCs的生物3D打印存在著可選擇的生物墨水種類少，生物打印過(guò)程繁瑣，打印后細(xì)胞存活率低，細(xì)胞-支架相互作用弱等問(wèn)題，從而極大限制了其在SCI治療中的應(yīng)用。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張智軍研究團(tuán)隊(duì)最近利用生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了一種具有脊髓仿生結(jié)構(gòu)的神經(jīng)支架，為NSCs的存活以及向神經(jīng)元分化提供良好的微環(huán)境，應(yīng)用于SD大鼠的脊髓損傷治療（圖1）。在該治療策略中，研究人員首先創(chuàng)新性設(shè)計(jì)、制備了由羥丁基殼聚糖（HBC）、巰基透明質(zhì)酸（HA-SH）、二乙烯砜基透明質(zhì)酸（HA-VS）以及基質(zhì)膠（MA）組成的具有良好可打印性以及生物相容性的生物墨水HBC/HA/MA。利用HBC優(yōu)異的溫度響應(yīng)性以及HA-SH與HA-VS間邁克爾加成反應(yīng)的自發(fā)二次交聯(lián)，“一步法”實(shí)現(xiàn)了負(fù)載NSCs的神經(jīng)支架生物3D打印。打印過(guò)程流暢，打印線條固化速度快（37 ℃ 20 s內(nèi)成膠），成型后的支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，打印后支架內(nèi)NSCs的存活率可高達(dá)95%。隨后通過(guò)對(duì)生物信號(hào)（MA）、力學(xué)性能、孔徑大小等多因素的優(yōu)化，有效增強(qiáng)了細(xì)胞-細(xì)胞以及細(xì)胞-支架之間的相互作用，從而顯著促進(jìn)了NSCs向神經(jīng)元分化。
展開(kāi) 浙江大學(xué)教授：讓3D打印迷你器官不再是夢(mèng)
靠一股氣，螺螄殼里做道場(chǎng)
科學(xué)家將不同的細(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(shuō)，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(guò)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、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米左右。總之，可以操縱細(xì)胞任意形成特定的“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(lái)，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(guò)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)”。
“這一技術(shù)的精度可以達(dá)到單細(xì)胞分辨率”賀永說(shuō)，與現(xiàn)有生物制造方法相比，其特點(diǎn)是首次實(shí)現(xiàn)了在微小空間內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的可控成型，為體外重建復(fù)雜類器官提供了新思路。
有望應(yīng)用于器官芯片、細(xì)胞治療
“我們可以構(gòu)造出具有活性的迷你生物組織，用于藥物篩選的器官芯片”，賀永說(shuō)，另一個(gè)用途是細(xì)胞治療。當(dāng)前細(xì)胞治療的一大難點(diǎn)在于直接注射的細(xì)胞容易被自身的免疫細(xì)胞吞噬，因此只對(duì)某些特定的疾病有效。“我們或許能可以打印出具有特定功能的細(xì)胞微球，細(xì)胞抱團(tuán)在血管中行進(jìn)，就不怕被吃掉，而且一到目的地可以馬上發(fā)揮作用。”賀永說(shuō)。
展開(kāi) 生物醫(yī)用材料市場(chǎng)、趨勢(shì)及其在3D打印中的應(yīng)用
復(fù)合生物材料 與單一組分或結(jié)構(gòu)的生物材料相比，復(fù)合生物材料的性能具有可調(diào)性，各組分既能保持性能的相對(duì)獨(dú)立性，又能優(yōu)化配置，大大改善單一材料應(yīng)用的不足。
生物墨水 醫(yī)用水凝膠、生物交聯(lián)劑和活細(xì)胞共同組成了生物3D打印所需的“生物墨水”，目前已經(jīng)有研究人員利用3D生物打印技術(shù)和生物墨水打印出人體耳廓等活體組織，但材料與調(diào)節(jié)細(xì)胞有序地組合、器官內(nèi)部血管構(gòu)建、神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)建的生長(zhǎng)因子相容等困難，使得3D打印復(fù)雜器官的實(shí)現(xiàn)仍有很大距離。
文章轉(zhuǎn)載自：火石創(chuàng)造。
展開(kāi) 3D打印器官能否跨越技術(shù)與法規(guī)障礙，解決移植器官短缺問(wèn)題？
但是生物學(xué)表明，細(xì)胞之間的空間對(duì)細(xì)胞生物學(xué)至關(guān)重要，因此在器官打印過(guò)程中需要大量的材料來(lái)適當(dāng)?shù)刂巍⒕S持和調(diào)節(jié)組織/器官內(nèi)的細(xì)胞。
比如說(shuō)，GE 醫(yī)療生命科學(xué)部門(mén)與美國(guó)西北大學(xué)進(jìn)行合作，美國(guó)西北大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了300多種具有不同“顏色”的生物墨水，它們被用于構(gòu)建生物組織。其中一種生物墨水為超彈性骨制造材料，該材料含有90%以上的羥基磷灰石，但除了羥基磷灰石之外，生物墨水中還含有部分粘合劑，這種粘合劑有助于實(shí)現(xiàn)彈性骨的3D打印。大多數(shù)粘合劑材料在打印過(guò)程種可以蒸發(fā)掉，或者是能夠被清洗掉，留下骨狀材料（羥基磷灰石）。
血管形成
細(xì)胞與沒(méi)有生命的零件有所不同，在3D打印過(guò)程中僅為細(xì)胞創(chuàng)造物理和化學(xué)環(huán)境是不夠的，細(xì)胞還需要生物環(huán)境。這其中最大的挑戰(zhàn)之一是如何創(chuàng)造血液供應(yīng)，從而為細(xì)胞提供氧氣并帶走廢物。在人體中，任何超過(guò)頭發(fā)寬度并缺乏血液供應(yīng)的細(xì)胞都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
人體肝臟血管網(wǎng)絡(luò)示意圖
如果對(duì)天然組織進(jìn)行觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)血管系統(tǒng)沒(méi)有整齊地設(shè)計(jì)，而是類似于半混沌的血管網(wǎng)絡(luò)。人體的天然血管能夠提供均勻的灌注（在空間內(nèi)均勻供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)和氧氣）以及保持低流動(dòng)阻力，但是這一點(diǎn)多數(shù)人造血管床都做不到。在人工血管研究領(lǐng)域已取得了一些進(jìn)展，比如說(shuō)美國(guó)高級(jí)解決方案生命科學(xué)（ASLS）的Jay Hoying 偶然發(fā)現(xiàn)了創(chuàng)建更像原生血管的方法。幾年前，他使用來(lái)自老鼠的腹部脂肪做為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停l(fā)現(xiàn)撕裂的小塊微血管將自發(fā)地生長(zhǎng)新血管（血管生成），并且這些新血管將自組裝成血管床，重建半混沌天然結(jié)構(gòu)。當(dāng)他將這些血管床鋪放在不同的組織（心臟，肝臟，腎臟，神經(jīng)）時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生類似于天然身體組織中發(fā)現(xiàn)的血管床。
展開(kāi) 
3D打印的眼角膜可能就要成為器官打印的先驅(qū)了
眼角膜可能成為生物打印的第一個(gè)主流應(yīng)用，Batt說(shuō)，一方面眼角膜有符合該科技特征的層狀結(jié)構(gòu)。每一層都由不同的細(xì)胞和纖維構(gòu)成，打印機(jī)可以把它們按順序排列，而且這些層結(jié)構(gòu)不包含任何血管和神經(jīng)。更重要的是，在眼睛里移植一塊新組織本身就比移植在身體內(nèi)部要安全，因?yàn)獒t(yī)生能輕易地檢查異常狀況，如果情況不妙的話也能輕松地移除組織。
毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)眼角膜的需求還很大，美國(guó)眼庫(kù)協(xié)會(huì)的總裁兼CEO Kevin Corcoran說(shuō)，在2017年，他的會(huì)員提供了近51000塊可移植的眼角膜給美國(guó)的病人，并往海外運(yùn)送了26000多塊。國(guó)際上，“現(xiàn)在供不應(yīng)求”他說(shuō)。“據(jù)估計(jì)全球有一千萬(wàn)人由于角膜損傷而失明，這主要是因?yàn)樗麄內(nèi)鄙儆行в帜茇?fù)擔(dān)得起的治療方式。”
Precise Bio的專有方法的一部分就是它的打印機(jī)，這種打印機(jī)用了一種叫激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移的技術(shù)把一滴滴的生物墨水推到一個(gè)平臺(tái)上。正如桌面打印機(jī)有裝著不同顏色墨水的墨盒一樣，Precise Bio的打印機(jī)有裝著不同生物材料的墨盒，比如說(shuō)上皮細(xì)胞和膠原蛋白。
“據(jù)估計(jì)全球有一千萬(wàn)因角膜損傷而失明的人，主要因?yàn)樗麄內(nèi)鄙儆行в帜茇?fù)擔(dān)得起的治療方式。”——Kevin Corcoran,美國(guó)眼庫(kù)協(xié)會(huì)
激光的作用是把能量集中在打印機(jī)噴頭內(nèi)部的材料上，使小氣泡形成再破裂，從而把小股生物墨水噴到基質(zhì)上。Batt說(shuō)激光的能量并不是直接施加到細(xì)胞上的，所以并不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損壞。其他的生物打印技術(shù)都會(huì)造成更大的細(xì)胞損傷，他爭(zhēng)辯道：微擠壓技術(shù)在細(xì)胞通過(guò)小孔時(shí)會(huì)給它們施加壓力，從而對(duì)細(xì)胞造成一定的損壞，而噴墨技術(shù)會(huì)加熱細(xì)胞，損壞它們。
雖然生物打印經(jīng)常被認(rèn)為是3D打印的一種，Precise Bio喜歡把他們的過(guò)程稱為4D打印，強(qiáng)調(diào)了第四維的存在：時(shí)間。在打印機(jī)打印完一片組織后，組織會(huì)進(jìn)入生物反應(yīng)器進(jìn)一步成熟。
展開(kāi) 高分辨率生物3D打印機(jī)
△活細(xì)胞存在下的生物相容性3D打印
關(guān)于UpNano
UpNano成立于2018年9月，是維也納工業(yè)大學(xué)的孵化公司，總部位于維也納，致力于基于雙光子聚合的高分辨率3D打印系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、制造和商業(yè)化。公司的第一個(gè)商業(yè)產(chǎn)品，3D打印系統(tǒng)NanoOne，可以打印結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)≥170nm的微零件。由于打印過(guò)程非常快，因此還可以實(shí)現(xiàn)高度高達(dá)幾厘米的中尺度零件。
△從納米到厘米的大跨度3D打印
關(guān)于Xpect INX
Xpect INX是根特大學(xué)的孵化公司，致力于3D生物打印應(yīng)用的生物材料開(kāi)發(fā)。基于多年在生物墨水開(kāi)發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)，Xpect INX提供并開(kāi)發(fā)了適用于不同3D打印技術(shù)的全系列即用型（生物）墨水，包括2PP、DLP和基于沉積的3D打印技術(shù)。
參考閱讀：
1. The new dimension in 3D bioprinting
2. Co-innovation of Bioink and Powerful 2Photon Bio-PrinterAllows 3D-Printing of Living Cells for Bioapplications with UnprecedentedPrecision
3. UPNANO MAKES BIOPRINTING DEBUT WITH NEW NANOONE BIO 3DPRINTER AND NOVEL BIOINK
4. 雙光子3D打印突破：奧地利UpNano納米分辨率，高速打印厘米“大”尺寸
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展開(kāi) 3D打印人體器官就要來(lái)了，速度比你想象的要快
6月27日消息，據(jù)TechCrunch報(bào)道，在總部位于美國(guó)舊金山Dogpatch社區(qū)的生物技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)孵化器MBC
Biolabs，許多科學(xué)家和實(shí)習(xí)生正在為小型初創(chuàng)企業(yè)Prellis
Biologics工作，幫助其在開(kāi)發(fā)可移植3D打印人體器官的道路上邁出了一大步。
Prellis
Biologics公司成立于2016年，聯(lián)合創(chuàng)始人包括研究科學(xué)家梅勒妮·馬修（Melanie Matheu）和諾艾爾·穆林（Noelle
Mullin）。這家公司把自己的未來(lái)(和300萬(wàn)美元投資)押注在制造毛細(xì)血管的新技術(shù)上。毛細(xì)血管是只有1個(gè)細(xì)胞厚的血管，充當(dāng)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)送通道，以幫助滋養(yǎng)體內(nèi)各種器官。
馬修解釋稱，如果沒(méi)有正常發(fā)揮作用的毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)，就不可能制造出器官。她說(shuō)，在打印心臟、肝臟、腎臟和肺臟的過(guò)程中，它們是最重要的拼圖之一。美國(guó)萊斯大學(xué)（Rice
University）生物工程學(xué)助理教授、3D打印植入式生物材料結(jié)構(gòu)專家喬丹·米勒（Jordan
Miller）在一份聲明中說(shuō)：“毛細(xì)血管系統(tǒng)是支持高級(jí)多細(xì)胞生命的基本建筑單位，因此它是自下而上的人體器官工程和再生醫(yī)學(xué)的重要目標(biāo)。”
現(xiàn)在，Prellis
Biologics公司發(fā)表的研究成果表明，它能夠以特定尺寸和速度制造出3D打印器官，并在未來(lái)五年內(nèi)投入市場(chǎng)。該公司使用全息印刷技術(shù)，通過(guò)光誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)在5毫秒內(nèi)生成三維層。Prellis
Biologics公司介紹稱，這一功能對(duì)于構(gòu)建腎臟或肺臟等器官組織至關(guān)重要。Prellis
Biologics通過(guò)將光敏光引發(fā)劑與傳統(tǒng)生物墨水相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。傳統(tǒng)生物墨水可以使細(xì)胞材料在紅外線照射下發(fā)生反應(yīng)，從而催化生物墨水的聚合。
Prellis
Biologics公司并非全息印刷技術(shù)的發(fā)明者。
展開(kāi) 3D打印神經(jīng)元細(xì)胞！康考迪亞大學(xué)發(fā)明激光誘導(dǎo)側(cè)轉(zhuǎn)移技術(shù)
導(dǎo)讀：加拿大康考迪亞大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一種生物打印成體神經(jīng)元細(xì)胞的新方法。他們正在使用一種新的激光輔助技術(shù)，可以保持高水平的細(xì)胞活力和功能。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種稱為激光誘導(dǎo)側(cè)轉(zhuǎn)移 (LIST) 的新生物打印技術(shù)，通過(guò)使用不同粘度的生物墨水改進(jìn)現(xiàn)有的生物打印技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更好的3D打印。在文章中，他們證明了該技術(shù)可成功打印感覺(jué)神經(jīng)元，這是周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的重要組成部分。他們表示，這有利于生物打印潛力的長(zhǎng)期發(fā)展，包括疾病建模、藥物測(cè)試和植入物制造。
△圖1. 激光誘導(dǎo)神經(jīng)元側(cè)向轉(zhuǎn)移 (LIST) 打印系統(tǒng)示意（A左）和生物油墨噴射（高速成像A右）。打印后1小時(shí)，帶有DRG神經(jīng)元的液滴。比例尺 = 50 μM ( B , C )。
可行且實(shí)用
研究人員使用小鼠周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的背根神經(jīng)節(jié) (DRG) 神經(jīng)元來(lái)進(jìn)行技術(shù)測(cè)試。神經(jīng)元懸浮在生物墨水溶液中，并加載到生物相容性基材上方的方毛細(xì)管中。低能納秒激光脈沖聚焦在毛細(xì)管中部，產(chǎn)生微氣泡膨脹并將充滿細(xì)胞的微射流噴射到其下方的基底上。將樣品短暫孵育，然后洗滌并重新孵育48 小時(shí)。
△圖2. 生物打印不會(huì)影響DRG神經(jīng)元的存活，但會(huì)減少神經(jīng)突觸的生長(zhǎng)。
然后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次測(cè)試以測(cè)量打印細(xì)胞的容量。一項(xiàng)活力測(cè)定發(fā)現(xiàn)，打印兩天后，86%的細(xì)胞仍然存活。研究人員指出，當(dāng)使用較低能量的激光時(shí)，存活率會(huì)提高。較高激光能量使用時(shí)，一些熱力學(xué)反應(yīng)更可能損壞細(xì)胞。
△圖3. 打印過(guò)程對(duì)辣椒素引發(fā)的鈣內(nèi)流的影響。
其他測(cè)試測(cè)量了神經(jīng)突生長(zhǎng)（其中發(fā)育中的神經(jīng)元在響應(yīng)指令時(shí)產(chǎn)生新的投射）、神經(jīng)肽釋放、鈣成像和RNA測(cè)序。
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