利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術(shù)

眾所周知，細(xì)胞形狀決定細(xì)胞功能。通過(guò)改變用于細(xì)胞操作的生物材料基底的生物物理特性來(lái)改變生物形狀，從而實(shí)現(xiàn)編程細(xì)胞形態(tài)與功能的技術(shù)，在生物醫(yī)療等領(lǐng)域有重要價(jià)值和意義。

麻省理工學(xué)院比特和原子中心與新澤西州史蒂文斯技術(shù)學(xué)院的技術(shù)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)可以通過(guò)控制特定的生物材料基底，生長(zhǎng)出具有均勻大小和形狀，以及特定功能的細(xì)胞。

傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)所產(chǎn)生的細(xì)絲可以達(dá)到150微米（百萬(wàn)分之一米），細(xì)胞在該尺度的打印表面，就像在二維表面上一樣，因?yàn)榧?xì)胞本身比打印出的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)小很多。3D打印時(shí)，在擠出纖維和打印的過(guò)程中，給噴嘴之間增加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，打印出的纖維寬度可以達(dá)到10微米，該技術(shù)稱為熔融直寫技術(shù)。熔融直寫技術(shù)可以生成與細(xì)胞同尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而為細(xì)胞生長(zhǎng)提供一個(gè)真正的3D結(jié)構(gòu)。細(xì)胞的許多功能受其微環(huán)境的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)3D打印出的與細(xì)胞同尺度的多孔微結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞尺寸、形狀及其在材料基底上的粘合方式的控制，即制造具有特定大小、形狀和特性的細(xì)胞。

該團(tuán)隊(duì)首先采用熔融直寫技術(shù)得到各種特定結(jié)構(gòu)的生物基底，然后使用共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞在纖維中的生長(zhǎng)，并采用人工智能方法對(duì)產(chǎn)生的大量的圖像進(jìn)行分析和分類，從而發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型及其可變性與其所生長(zhǎng)的微環(huán)境的空間與纖維排列等特征間的關(guān)聯(lián)。

細(xì)胞在其附著于結(jié)構(gòu)的位置會(huì)形成稱為“粘著斑”的蛋白質(zhì)。粘著斑就像細(xì)胞與外界交流的“信使”，這種蛋白攜帶可被測(cè)量的特征；該團(tuán)隊(duì)通過(guò)量化粘著斑上的特征，并對(duì)這些特征進(jìn)行計(jì)量分析，實(shí)現(xiàn)不同形狀細(xì)胞的建模與分類。

此項(xiàng)研究表明，在給定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)下，細(xì)胞生長(zhǎng)出的形狀與其基底結(jié)構(gòu)和熔融直寫結(jié)構(gòu)直接耦合，并且，這種耦合性相比隨機(jī)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格具有高度的統(tǒng)一性，這種統(tǒng)一的細(xì)胞生長(zhǎng)特性對(duì)生物醫(yī)療意義重大——實(shí)現(xiàn)了由形狀驅(qū)動(dòng)，具有很高重復(fù)性的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與量化細(xì)胞的方法。

該團(tuán)隊(duì)將此項(xiàng)成果用于干細(xì)胞生長(zhǎng)，結(jié)果表明，特定干細(xì)胞在本研究所得的三維網(wǎng)格中生長(zhǎng)，比在傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)所保持特性的時(shí)間顯著增長(zhǎng)。該實(shí)驗(yàn)為此項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考，可以采用此項(xiàng)技術(shù)培養(yǎng)具有特定功能的人類細(xì)胞，從而為移植與人造器官提供所需的材料。進(jìn)一步明確細(xì)胞表型變化與三維打印的材料基底之間的耦合特性，是目前此項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。