微流控液滴生物打印技術(shù)研究進(jìn)展

生物打印技術(shù)可精準(zhǔn)控制細(xì)胞在三維空間中的排布，是體外制造人工組織器官的主要方法，對病變器官移植修復(fù)等可再生醫(yī)學(xué)和人體疾病體外模型構(gòu)建及高通量藥物篩選等具有重要價值。然而，傳統(tǒng)的生物打印技術(shù)制造的人工組織器官雖然已經(jīng)在宏觀形狀上實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)組織器官的相似性，但在微觀尺度上常常不能匹配生物體的細(xì)胞構(gòu)成精度及復(fù)雜性，這制約了人工組織器官的精準(zhǔn)功能化。可以說，細(xì)胞的打印精度及復(fù)雜性已經(jīng)成為了生物打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸難題。

微流控是一種具備在微尺度上精準(zhǔn)調(diào)控單細(xì)胞行為的技術(shù)，以微流控技術(shù)革新傳統(tǒng)生物打印技術(shù)而提升細(xì)胞打印的精準(zhǔn)及復(fù)雜性已經(jīng)成為近年來的發(fā)展趨勢。該論文著重綜述了微流控液滴生物打印技術(shù)原理及方法，這種技術(shù)交叉一方面使得傳統(tǒng)液滴生物打印技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的單細(xì)胞打印、多細(xì)胞同時打印和液滴內(nèi)細(xì)胞組成調(diào)控成為可能，同時基于這種技術(shù)革新產(chǎn)生了以往不能實(shí)現(xiàn)的諸多應(yīng)用。

近日，北航機(jī)械工程及自動化學(xué)院張鵬飛教授團(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology撰寫了題為“Printhead on a chip: empowering droplet-based bioprinting with microfluidics”的前瞻性綜述論文，該工作提出了基于微流控芯片構(gòu)建打印頭（printhead on a chip）的概念，系統(tǒng)的闡述了微流控技術(shù)與生物打印技術(shù)交叉的新型液滴生物打印技術(shù)的原理和方法，總結(jié)了這種技術(shù)交叉產(chǎn)生的新應(yīng)用，并提出了需要解決的關(guān)鍵問題及未來的發(fā)展趨勢。張鵬飛教授為論文的第一作者和通訊作者，加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）Adam Abate教授為論文的共同通訊作者，北航機(jī)械學(xué)院陳華偉教授為論文共同作者。

圖1 微流控液滴生物打印技術(shù)

作者在論文中根據(jù)微流控生物打印過程中的液滴產(chǎn)生原理，對微流控液滴生物打印技術(shù)進(jìn)行了分類，涵蓋了類噴墨式、聲場、電流體動力場、氣流剪切和液體支持浴等。作者詳細(xì)闡述了這些基于不同原理實(shí)現(xiàn)的微流控液滴生物打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式、打印原理以及構(gòu)建打印頭時需要考量的因素。這些多樣的打印技術(shù)具備不同的特點(diǎn)和適用場景，很大程度上豐富了液滴生物打印的可選擇性和可應(yīng)用性。特別是，通過集成微流控打印頭，在液滴打印過程中可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞打印的原位檢測與篩選，從而使得單細(xì)胞精度的打印成為了可能；通過芯片上調(diào)控包覆細(xì)胞的液滴的分散、匯聚和篩選，可精準(zhǔn)調(diào)控打印液滴內(nèi)的細(xì)胞數(shù)目及種類；通過在芯片上構(gòu)建多流道調(diào)控生物墨水打印行為，可實(shí)現(xiàn)多種類細(xì)胞及生物墨水在液滴內(nèi)空間排布的控制。此外，這種技術(shù)交叉還使得具有高密度細(xì)胞的生物墨水打印、細(xì)胞微球和類器官精準(zhǔn)打印制造及選擇性打印等成為可能。

圖2 微流控液滴生物打印技術(shù)分類

生物打印技術(shù)能力的提升有助于人工組織器官的精準(zhǔn)制造，該論文詳細(xì)綜述了新技術(shù)突破在微尺度生物制造及應(yīng)用上的創(chuàng)新，并特別聚焦于單細(xì)胞分析、高通量篩選、細(xì)胞微球/類器官打印制造以及微尺度組織制造等。傳統(tǒng)生物打印技術(shù)難以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞打印，而微流控液滴生物打印技術(shù)在單細(xì)胞打印方面取得了顯著突破，這為單細(xì)胞克隆、單細(xì)胞PCR和單細(xì)胞多組學(xué)研究提供了技術(shù)支撐；此外，以單細(xì)胞或細(xì)胞群簇打印構(gòu)建的細(xì)胞陣列有助于高通量的藥物及細(xì)胞代謝篩選分析。特別是，微流控液滴打印技術(shù)在細(xì)胞微球/類器官的制造方面提供了多維度的打印控制，可以通過單細(xì)胞精度打印精準(zhǔn)控制細(xì)胞微球/類器官的大小及組成，可以調(diào)控細(xì)胞微球/類器官內(nèi)部多種細(xì)胞的空間分布，還實(shí)現(xiàn)了單個細(xì)胞微球/類器官的高通量精準(zhǔn)打印來構(gòu)建類器官芯片等。在微尺度組織制造方面，同傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控液滴生物打印可以在單細(xì)胞精度上制造三維微組織、實(shí)現(xiàn)多種類細(xì)胞和模塊化構(gòu)建復(fù)雜精準(zhǔn)人工組織。

圖3 微流控液滴生物打印技術(shù)的應(yīng)用

最后，作者總結(jié)了現(xiàn)階段存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。為了進(jìn)一步拓寬微流控液滴生物打印技術(shù)的應(yīng)用，在打印系統(tǒng)簡化及標(biāo)準(zhǔn)化方面需要做出努力；同時，微流控液滴生物打印現(xiàn)階段只采用了了幾種基本微流控模塊，更多先進(jìn)微流控模塊的開發(fā)利用能進(jìn)一步提升打印系統(tǒng)的能力；在與其它技術(shù)集成方面，人工智能、多模式實(shí)時檢測分析和多能場高精細(xì)胞分選等技術(shù)可以在未來提升打印系統(tǒng)的智能化。在未來的應(yīng)用前景方面，作者認(rèn)為微流控生物打印技術(shù)將在多尺度人工組織制造方面取得突破，使得微組織制造更精準(zhǔn)、通量更高，使得宏觀尺度組織構(gòu)建精度更高、復(fù)雜度及功能性更加匹配生物本體，在精準(zhǔn)組織工程與可再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)⒂芯薮髴?yīng)用潛力。

審核編輯：劉清