在3D芯片上打印功能性气道芯片

来自浦项科技大学（POSTECH）和首尔国立大学（SNU）的韩国研究人员团队在3D芯片上打印了一个功能性气道芯片。 芯片用来模拟生化反应的模拟模型;这些模型用于研究呼吸道易患呼吸道疾病，如哮喘，慢性肺病和鼻窦炎等疾病及其治疗效果。

通过创建含有从猪气管分离的细胞外基质（dECM）和从人气管分离的粘膜细胞的混合物的生物墨水，研究团队能够3D打印具有与上皮细胞连接的血管网络的装置。该研究的主要作者Ju Young Park解释说：“我们通过在一步印刷过程中使用dECM生物墨水组装内皮细胞和成纤维细胞，再现了一种类似体内的3D血管网络。”

“我们生产的结构具有与生物气道上皮细胞相同的生理功能，因此可用于模拟哮喘等疾病，”Park说，他们详细说明印刷的气道暴露于尘螨时表现出天然的过敏反应。 “例如，血管的存在导致我们的气道模型中过量产生促炎细胞因子。这个过程（也称为“细胞因子风暴”）发生在哮喘气道炎症和过敏原诱导的生理环境中的哮喘恶化过程中。

该研究中使用的六头3D生物打印机相当先进。 “其中两个打印头连接到一个气动压力系统，该系统分配合成聚合物以制造气道支撑框架，”Park评论道。 “其他四个打印头在三轴电动平台上运行，我们使用计算机程序控制它们的运动。”

人体呼吸道非常复杂，膜层彼此相互作用。 “为了模仿这种复杂的2D / 3D结构和气道粘膜的细胞组成，我们在3D血管平台上组装了一个2D气道上皮，”Park解释道。 “我们通过3D细胞印刷重建了含有内皮细胞和成纤维细胞的dECM生物墨水的自然3D血管网络。事实上，dECM生物墨水为细胞提供了一种体内样的天然组织生态位，可诱导组织特异性分化和功能。

尽管涉及复杂程度，但3D生物打印技术比其他制造芯片上器官的方法更有效。 “我们的3D细胞打印系统使我们能够以高通量轻松制作气道原型，并允许我们将各种类型的细胞直接放置在气道结构的特定位置，以模拟细胞如何在自然组织中排列，”Park说。 “该技术可用于设计多种类型的芯片，甚至可以用于除气道以外的印刷器官模型。”

在动物和人体上测试药物是昂贵的，耗时的并且通常是不道德的，因此产生准确模仿人体器官的芯片上器官是推进药物的必要步骤。 “我们的新模型可用于研究这些相互作用，并更好地了解它们在人类呼吸系统疾病中的作用，”Park说。 “因此，3D细胞印刷的气道芯片可用作动物模型的有力补充，用于分析病理生理学和测试临床前阶段药物的效率。”