一种新技术提高了生物打印功能性人体组织的保真度

加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员在解决生物打印3D工程组织中一些最棘手的挑战方面取得了重大进展，同时满足了高细胞密度，高细胞活力和精细制造分辨率的关键要求。

由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程师领导的研究发表在 22 年 2023 月 <> 日的《科学进展》上。

生物打印基于3D打印技术，使用细胞和生物聚合物来创建生物结构和组织。3D工程组织 - 由活细胞和生物材料支架制成的实验室创建但功能性的类人组织 - 在生物医学应用中具有巨大潜力，包括药物测试和开发，器官移植，再生医学，个性化医疗，疾病建模等。它们的使用可以显着增加药物开发过程的速度和完整性，并有助于减轻与器官供体短缺和免疫排斥相关的挑战。

最有前途的3D生物打印类型之一称为数字光处理(DLP)生物打印。在3D生物打印的这个分支中，进展受到实际和技术障碍的阻碍。事实证明，打印具有高细胞密度和精细分辨结构的组织是困难的。

“打印后，我们培养构建体以使细胞成熟或重组为功能性组织。因此，细胞就像一粒种子，每种细胞类型都有一个特定的密度，在这个密度下它们最能发芽，“领导研究小组的纳米工程教授Shaochen Chen说。

使用现有方法，生物墨水(一种用于基于DLP的3D生物打印的生物相容性聚合物)中细胞的密度越高，光散射越多，从而阻碍了打印分辨率。

研究人员将这种光散射效应降低了十倍，使他们能够以高细胞密度和高分辨率进行打印，这要归功于对比剂碘地沙醇，这是生物墨水中的一种新成分。

“使用碘沙醇，我们开发了一种折射率匹配的生物墨水，用于基于DLP的生物打印，以减轻细胞的光散射，将能量集中在用户定义的光图案中以提高打印保真度，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士后研究员Shangting You说，陈的团队成员，该研究论文的共同第一作者。

近二十年来，Chen的实验室帮助指导了基于DLP的3D打印和生物打印技术的发展，帮助为现代3D生物制造奠定了基础。

工作原理

基于DLP的3D生物打印使用数字微镜设备(DMD)将2D模型的3D横截面投影到光交联生物墨水上。当暴露在光线下时，可光交联的生物墨水(可以是合成的或天然的)会固化。然后，电动载物台将生物墨水提升几十微米到200微米，这使得未固化的生物墨水能够重新填充间隙。当下一个横截面投影到生物墨水上时，新层凝固并重复该过程。

当一切顺利时，新形成的层与投影横截面的形状精确匹配。然而，使用现有方法，细胞掺入生物墨水会导致严重的光散射，从而模糊生物墨水中的投射光。因此，新形成的层无法复制投影横截面的精细细节。

调整生物墨水的折射率可以最大限度地减少这种散射效应，并显着改善制造。陈实验室的研究表明，在细胞密度高达50亿/mL的折射率匹配的甲基丙烯酸明胶(GelMA)生物墨水中可以实现~0μm的特征尺寸。

这种方法引入了一些新颖的技术创新，包括嵌入细胞厚组织中的中空有机血管网络，使其能够进行灌注和长期培养，以及雪花和辐条形状，以展示阳性和阴性特征的高分辨率。

该项目并非没有挑战。“我们已经开发了各种生物墨水材料和几种处理它们的协议，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生Yi Xiang说，他是Chen团队的成员，也是该研究论文的共同第一作者。“但是随着较大组织的打印时间延长，细胞和生物材料中的任何不一致和不稳定性都被放大了。因此，我们必须修改和优化材料成分和处理程序。

该项目标志着碘沙醇首次用作DLP生物打印中的生物墨水，具有高细胞密度和长暴露间隔。“我们进行了一系列生物学调查来评估这种影响，并开发了一些印后程序来充分消散碘黄醇，”Xiang说。

碘沙醇介导的打印分辨率提高，碘沙醇是一种高细胞密度、血管化前组织，整体尺寸为 17 x 11 x 3.6 mm3是捏造的。

“如此厚组织的体外培养受到氧气和营养物质有限扩散的阻碍，”陈说。“我们能够打印嵌入组织中的可灌注血管腔，直径范围为250μm至600μm，并与灌注系统接口以进行长期培养。我们证明血管腔内皮化，厚组织在培养14天时保持活力。

后续步骤

该团队继续致力于优化其材料系统和生物打印参数，用于功能性厚组织制造，并已提交涵盖这项工作的临时专利。

Chen建议的进一步下一步包括开发结构精确，高细胞密度的体外组织模型，以改善组织学和功能概括，着眼于用于人类受试者组织和器官移植和替换的高细胞密度大组织打印。

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