基于微流控的生物打印机可实现3D打印人体器官

据麦姆斯咨询报道，来自美国新泽西州史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）的研究人员正在使用计算建模技术来推进基于微流控的3D生物打印的发展，希望有一天能够用3D打印来制造出完整的人体器官。

当今许多最先进的生物打印机都基于挤压工艺，借由此工艺，生物墨水（满载人工培养细胞的水凝胶）通过喷嘴进行沉积，从而构建出特征尺寸约为200微米的组织结构。

基于微流控的生物打印机则通过在微通道精确操控流体来运行，可以打印特征尺寸仅为数十微米的结构，这更接近于单细胞尺寸水平。如果我们想让3D打印器官成为现实，那么这就是一条可以实现的途径。

这项研究工作由史蒂文斯大学舍费尔工程与科学学院（Stevens’ Schaefer School of Engineering & Science）副教授Robert Chang领导，他表示：“特征尺寸非常重要，因为它会影响器官的生物学特性。达到人体细胞水平的特征尺寸，使我们能够打印出合适的结构，从而可以模拟那些我们试图模拟的生物特征。”

BICO生产的基于挤压工艺系统的Bio X 3D生物打印机

迈向人体器官移植

对于患有严重疾病的人来说，器官移植可以挽救生命，但缺乏合适的器官捐献者一直是无法有效解决的问题。根据美国卫生与公众服务部卫生资源与服务管理局移植处（DoT）的数据，目前等待移植的名单上有超过10万名患者，其中每天约有17人在等待捐献中死亡。

长期以来，3D生物打印技术一直被认为是该问题的一种潜在解决方案，但技术发展进程缓慢意味着我们离实现这一目标还相差甚远。就目前而言，生物打印机擅长制造简单的单细胞组织和结构，但Robert Chang及其团队认为，微流控技术可能是设计几乎任何类型的复杂组织的关键——包括所有重要的器官，甚至是可以直接在开放性伤口上打印的皮肤。

Robert Chang表示：“实现按需构建新器官，在不需要人类捐献者的情况下挽救生命，对医疗系统会是巨大的利好。然而，要达到这个目标是很困难的，因为使用生物墨水打印器官需要对打印的微纤维的几何形状和尺寸进行一定程度的精细控制，而目前的3D打印机根本无法实现。”

除了可以达到更小的尺寸水平外，基于微流控的工艺还可以与多种生物墨水兼容。每一种生物墨水都可能包含不同细胞类型的前体，因此使用者可以将它们混合在一起，实现单一组织结构的打印。这对于肝脏和肾脏等复杂器官至关重要，因为它们依赖于多种细胞类型的协同工作。

3D生物打印计算建模

将3D生物打印的特征尺寸缩小到几十微米并非易事，需要研究各种参数（如流速、通道结构和流体动力学）如何影响打印组织结构的特性。为此，Robert Chang及其团队开发了一种微流控打印头的计算模型，用于控制流速和流体动力学等参数。该模型允许他们微调参数并预测这将会对工艺产生何种影响，而无需进行繁琐的物理实验。

该研究的第一作者Ahmadreza Zaeri表示：“我们的计算模型提出了一种公式提取算法，可用于预测从微流控通道中挤压出的制造结构的各种几何参数。”

通过模拟现实世界实验的结果，该团队现在可以更好地了解如何打印各种器官结构。研究成果将用于开发多细胞型生物墨水。Robert Chang还致力于将基于微流控的生物打印技术用于直接在伤口上制造皮肤。相关工作现已发表在国际期刊Scientific Reports上。

基于微流控的打印头建模设计示意图及数值建模参数

这当然不是微流控技术第一次成为增材制造领域的头条新闻。今年早些时候，总部位于北卡罗来纳州的医疗3D打印初创公司菲斯股份（Phase Inc）与弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）达成合作，共同推进微流控在3D打印领域的发展。为此，菲斯和弗吉尼亚理工大学将共同使用菲斯专有的LE3D打印技术开发新型微流控器件，帮助研究人员针对脑癌等疾病制定新的更先进的医学治疗方法。

此外，布里斯托大学（University of Bristol）的研究人员此前开发了一种新型低成本、开源的3D打印工艺，用于生产微流控器件。该工艺降低了制造微流控器件的成本和复杂性，使其更容易被推广——只需要具备简单的家用设备和标准桌面级3D打印机即可使用，而且此工艺已开发了免费使用软件。

到目前为止，研究人员表示他们已经使用3D打印支架制造了膀胱。但通过混合多种生物墨水，他们希望可以将这项技术推广应用到更多的人体器官打印。Robert Chang最后表示：“能够在这种尺寸水平进行操作，同时精确混合生物墨水，使我们能够复制任何人体组织类型。这项技术仍然很新颖，以至于我们不知道它可以带来什么样的变革。但我们知道这将为构建新结构和具有重大价值的新型生物学研究打开大门。”

论文链接：

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

审核编辑 ：李倩