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
3D打印活體器官的夢想盡管遙遠，但人類正向它一步步逼近。浙江大學機械工程學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胞形成特定結構的微球，進而長成具有生物活性的微組織。相關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、實施更有效的細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。但要真正實現(xiàn)活體器官的3D打印，路途還是有點遠。
在3D打印的“初級階段”，人類已經(jīng)能夠精準地打印牙齒、骨骼等組織結構相對簡單的零部件，并應用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實現(xiàn)整形。如果要把打印目標擴展到人體所有“零件”，挑戰(zhàn)就大多了。
首先，你要保證人造器官能夠適應人體的力學環(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，但至今沒有一個真正的3D打印心臟能夠成功植入生物體。
“我們試試能否先實現(xiàn)一個小目標，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雜。比如血管是由成纖維細胞、平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞等組成的復雜結構。平滑肌維持了血管的彈性，內(nèi)皮細胞分泌生長因子防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細胞打印到一起，形成特定的結構。”賀永說。
靠一股氣流，三維結構在微小空間成型
三年前，課題組開始了嘗試。他們將不同的細胞分別用水凝膠包裹制成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控制下，一點點“吐”出多組分細胞微滴。
“用這臺機器，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)干細胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞的“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)干細胞可定向分化為成骨細胞，內(nèi)皮細胞會形成血管化細胞。經(jīng)過幾天實驗室培養(yǎng)，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。
用這種方法，實驗室還做出了玫瑰花、螺旋狀微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米左右。總之，可以操縱細胞形成特定的“隊形”。
“生物墨水”的組分之一水凝膠是有名的“軟”物質(zhì)，要對這么軟的材料進行精準操控，是一項頗為艱巨的挑戰(zhàn)。課題組用一陣“風”巧妙解決這個難題：在一股微氣流的吹動下，噴頭吐出的液滴不會馬上落下，而是會旋轉(zhuǎn)起來，此時再根據(jù)數(shù)學建?？刂撇煌M分生物墨水下降的方向，就能形成精致的立體結構。這個過程，有點像我們在轉(zhuǎn)動的蛋糕模具上裱花，讓不同細胞形成特定的立體“編隊”。
來源：科技日報
