《AM》論文："低溫生物打印"技術3D打印出活的人體肌腱

導讀：到目前爲止，很少有3D生物打印技術進入市場，而且該領域在這方面仍然處於相對早期的發展階段。換言之，市面上真正可以投入實際應用的生物打印技術少之又少。

2022年2月10日，南極熊獲悉，哈佛大學醫學院和四川大學的研究人員已經開發出一種新的3D生物打印活人肌肉-肌腱組織的方法。

與普通的擠壓式生物打印（涉及沿X和Y軸沉積細胞）不同，該團隊的"低溫生物打印"過程將細胞冷凍並垂直堆疊，以一種允許創建獨立的混合細胞組織的方式。

科學家們表示，這種新技術製造的組織要比傳統生物打印具備更強大和更多的功能，特別是當涉及到那些各向異性的性質時。因此，他們認爲低溫生物打印現在即可投入再生醫學、藥物發現或個性化的治療應用。

△3D生物打印肌肉肌腱的近距離示意圖。圖片來自哈佛大學醫學院/四川大學。

擠壓式生物打印的替代品？

面對3D生物打印多數只是停留在實驗室階段的窘境，市面上亟需有真正可以投入實際應用的打印技術來證明生物打印絕不只是“紙上談兵“。事實上，在那些處於實驗層面的技術中，許多仍依賴於基於擠壓的方法，這些方法通常具有功能性，但當涉及到打印嚴重依賴排列的組織時，如肌肉和神經纖維，它們往往會出現問題。

爲了克服這些組織堆疊的問題，研究人員因此轉向了 "冰塑"，這是一個冷凍過程，一旦解凍就會在充滿細胞的水凝膠結構中形成微通道。當然，這樣做通常會損害這些細胞的生存能力，所以爲了防止這種情況，研究小組在他們的細胞中加入了低溫保護劑（CPA）麥芽糖和二甲亞碸。

一旦凍結，研究人員就用紫外線（UV）光垂直交聯這種新型生物墨水，並將其擠壓成由高分辨率、蜂窩狀的微通道網絡組成的組織，能夠支持各種不同類型的細胞，無論是骨骼肌肌細胞還是人類臍靜脈內皮細胞。

"我們的結果表明，這種由甲基丙烯酰明膠和CPA組成的生物墨水，可以有效地用於垂直三維低溫生物打印，使細胞在高活力下被包裹，"該團隊在他們的論文中解釋說。"在這個過程中，藉助於定向冷凍形成的相互連接的、各向異性的、梯度的微通道，也實現了所需的細胞排列。"

△研究人員的低溫生物打印技術。圖片來自哈佛醫學院/四川大學。

人體肌腱的 "低溫生物打印"

在證明低溫打印方法的可行性後，科學家們繼續評估其在創建更復雜的多細胞類型組織結構方面的功效。爲了實現這一目標，研究團隊最初使用了一臺配備了同軸噴嘴的3D生物打印機，將細胞沉積到垂直的核殼結構中，在這個過程中，他們可以精確控制材料的沉積，同時使用了多達8種不同的油墨。

值得關注的是，在這些組織內，研究人員還發現新方法允許他們創建可定製的、各向異性的微通道，以促進細胞生長，儘管成功的程度各不相同。經過幾次試印，結合了麥芽糖和DMSO分別爲8%和10%的生物墨水被證明是最有效的，產生的組織在60-80%的細胞活力之間波動。

儘管這些結果參差不齊，科學家們將其歸因於實驗過程中的潛在變化，但他們繼續將他們的方法向前推進了一步，將其應用於肌腱 "連接處 "的創建，這種組織塊以其有機形式將肌肉收縮的力量通過肌腱傳遞給人類的骨骼系統。

在這一過程中，低溫生物打印被證明了是理想的，因爲它能夠創造出一個連接點，其下部細胞高度排列，而其纖維母細胞則較少，模仿了其自然對應的結構。一旦打印出來，所產生的肌腱被培養了七天，其中它的肌肉和血管生物墨水明顯地相互連接，成長爲一個密集的微血管網絡。

因此，儘管該團隊承認他們的方法目前有打印高度的限制，使其無法在某些體內應用中使用，但他們堅持認爲，它還可以被用於創建肌肉骨骼模型，有可能幫助開發針對病人的治療方法，並促進我們對人體的瞭解。

該團隊在他們的論文中總結說："我們合理地預計，垂直三維低溫生物打印策略可能會在組織工程中找到廣泛的用途，這些組織的特點是面向內部細胞和細胞外基質的排列。該方法的另一個可能的用途是爲生物研究、藥物發現和個性化醫療創建體外肌肉骨骼模型。"

△熒光顯微鏡圖像顯示垂直低溫生物打印後第1至7天的肌腱形成。圖片來自哈佛大學醫學院/四川大學。

新的生物打印方法

鑑於3D生物打印是一項新興技術，加之研究人員不斷爲該領域帶來創新的新想法，因此它的形式不斷變化也就不足爲奇了。就在上個月，英國伯明翰大學和哈德斯菲爾德大學的科學家透露，他們已經開發出一種新型的皮膚3D生物打印技術，能夠治療慢性傷口。

在偏向於商業應用的層面上，Inventia生命科學公司在2021年12月爲其RASTRUM 3D生物打印技術的開發籌集了2500萬美元。實際上，該公司的方法旨在使裝載細胞的液滴以一定的速度相互分層，使它們在接觸時結合，並且不影響它們的整體活力。

在更早些時候，倫敦帝國學院的研究人員也曾試驗過將細胞冷凍作爲生物打印可行的人類植入物的一種手段。在四年前發表的一篇論文中，該學院的一個團隊試圖將3D打印和低溫技術結合起來，作爲複製體內軟組織質地的一種手段，並欺騙大腦和肺部接受移植物，就像它們是有機的一樣。

研究人員的研究結果詳見他們的論文，題爲 "VerticalExtrusion Cryo(bio)printing for Anisotropic Tissue Manufacturing。“

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202108931

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