基于微流控的生物打印機可實現(xiàn)3D打印人體器官

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自美國新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）的研究人員正在使用計算建模技術(shù)來推進基于微流控的3D生物打印的發(fā)展，希望有一天能夠用3D打印來制造出完整的人體器官。

當(dāng)今許多最先進的生物打印機都基于擠壓工藝，借由此工藝，生物墨水（滿載人工培養(yǎng)細胞的水凝膠）通過噴嘴進行沉積，從而構(gòu)建出特征尺寸約為200微米的組織結(jié)構(gòu)。

基于微流控的生物打印機則通過在微通道精確操控流體來運行，可以打印特征尺寸僅為數(shù)十微米的結(jié)構(gòu)，這更接近于單細胞尺寸水平。如果我們想讓3D打印器官成為現(xiàn)實，那么這就是一條可以實現(xiàn)的途徑。

這項研究工作由史蒂文斯大學(xué)舍費爾工程與科學(xué)學(xué)院（Stevens’ Schaefer School of Engineering & Science）副教授Robert Chang領(lǐng)導(dǎo)，他表示：“特征尺寸非常重要，因為它會影響器官的生物學(xué)特性。達到人體細胞水平的特征尺寸，使我們能夠打印出合適的結(jié)構(gòu)，從而可以模擬那些我們試圖模擬的生物特征?！?/p>

BICO生產(chǎn)的基于擠壓工藝系統(tǒng)的Bio X 3D生物打印機

邁向人體器官移植

對于患有嚴重疾病的人來說，器官移植可以挽救生命，但缺乏合適的器官捐獻者一直是無法有效解決的問題。根據(jù)美國衛(wèi)生與公眾服務(wù)部衛(wèi)生資源與服務(wù)管理局移植處（DoT）的數(shù)據(jù)，目前等待移植的名單上有超過10萬名患者，其中每天約有17人在等待捐獻中死亡。

長期以來，3D生物打印技術(shù)一直被認為是該問題的一種潛在解決方案，但技術(shù)發(fā)展進程緩慢意味著我們離實現(xiàn)這一目標還相差甚遠。就目前而言，生物打印機擅長制造簡單的單細胞組織和結(jié)構(gòu)，但Robert Chang及其團隊認為，微流控技術(shù)可能是設(shè)計幾乎任何類型的復(fù)雜組織的關(guān)鍵——包括所有重要的器官，甚至是可以直接在開放性傷口上打印的皮膚。

Robert Chang表示：“實現(xiàn)按需構(gòu)建新器官，在不需要人類捐獻者的情況下挽救生命，對醫(yī)療系統(tǒng)會是巨大的利好。然而，要達到這個目標是很困難的，因為使用生物墨水打印器官需要對打印的微纖維的幾何形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，而目前的3D打印機根本無法實現(xiàn)。”

除了可以達到更小的尺寸水平外，基于微流控的工藝還可以與多種生物墨水兼容。每一種生物墨水都可能包含不同細胞類型的前體，因此使用者可以將它們混合在一起，實現(xiàn)單一組織結(jié)構(gòu)的打印。這對于肝臟和腎臟等復(fù)雜器官至關(guān)重要，因為它們依賴于多種細胞類型的協(xié)同工作。

3D生物打印計算建模

將3D生物打印的特征尺寸縮小到幾十微米并非易事，需要研究各種參數(shù)（如流速、通道結(jié)構(gòu)和流體動力學(xué)）如何影響打印組織結(jié)構(gòu)的特性。為此，Robert Chang及其團隊開發(fā)了一種微流控打印頭的計算模型，用于控制流速和流體動力學(xué)等參數(shù)。該模型允許他們微調(diào)參數(shù)并預(yù)測這將會對工藝產(chǎn)生何種影響，而無需進行繁瑣的物理實驗。

該研究的第一作者Ahmadreza Zaeri表示：“我們的計算模型提出了一種公式提取算法，可用于預(yù)測從微流控通道中擠壓出的制造結(jié)構(gòu)的各種幾何參數(shù)?！?/p>

通過模擬現(xiàn)實世界實驗的結(jié)果，該團隊現(xiàn)在可以更好地了解如何打印各種器官結(jié)構(gòu)。研究成果將用于開發(fā)多細胞型生物墨水。Robert Chang還致力于將基于微流控的生物打印技術(shù)用于直接在傷口上制造皮膚。相關(guān)工作現(xiàn)已發(fā)表在國際期刊Scientific Reports上。

基于微流控的打印頭建模設(shè)計示意圖及數(shù)值建模參數(shù)

這當(dāng)然不是微流控技術(shù)第一次成為增材制造領(lǐng)域的頭條新聞。今年早些時候，總部位于北卡羅來納州的醫(yī)療3D打印初創(chuàng)公司菲斯股份（Phase Inc）與弗吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Tech）達成合作，共同推進微流控在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。為此，菲斯和弗吉尼亞理工大學(xué)將共同使用菲斯專有的LE3D打印技術(shù)開發(fā)新型微流控器件，幫助研究人員針對腦癌等疾病制定新的更先進的醫(yī)學(xué)治療方法。

此外，布里斯托大學(xué)（University of Bristol）的研究人員此前開發(fā)了一種新型低成本、開源的3D打印工藝，用于生產(chǎn)微流控器件。該工藝降低了制造微流控器件的成本和復(fù)雜性，使其更容易被推廣——只需要具備簡單的家用設(shè)備和標準桌面級3D打印機即可使用，而且此工藝已開發(fā)了免費使用軟件。

到目前為止，研究人員表示他們已經(jīng)使用3D打印支架制造了膀胱。但通過混合多種生物墨水，他們希望可以將這項技術(shù)推廣應(yīng)用到更多的人體器官打印。Robert Chang最后表示：“能夠在這種尺寸水平進行操作，同時精確混合生物墨水，使我們能夠復(fù)制任何人體組織類型。這項技術(shù)仍然很新穎，以至于我們不知道它可以帶來什么樣的變革。但我們知道這將為構(gòu)建新結(jié)構(gòu)和具有重大價值的新型生物學(xué)研究打開大門。”

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-07392-0

審核編輯 ：李倩