《自然通讯》：新的生物打印技术创造功能组织的速度快了10倍

　　宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员开发了一种新的生物打印技术，该技术使用球状体（一种细胞簇）来创建复杂的组织。这项新技术提高了组织制造的精度和可扩展性，生产组织的速度比现有方法快10倍。

　　

宾州大学公园三维（3D）打印不仅仅是一种快速生产材料产品的方法。它还为研究人员提供了一种开发人体组织复制品的方法，可用于改善人类健康，例如构建用于移植的器官，研究疾病进展和筛选新药。虽然研究人员多年来取得了进展，但由于现有技术有限，无法大规模打印高细胞密度的组织，这一领域一直受到阻碍。

宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员开发了一种新的生物打印技术，该技术使用球状体（一种细胞簇）来创建复杂的组织。这项新技术提高了组织制造的精度和可扩展性，生产组织的速度比现有方法快10倍。研究人员说，这进一步打开了开发功能组织和器官的大门，并在再生医学领域取得了进展。

他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

“这项技术是球体快速生物打印的重大进步，”Ibrahim T. Ozbolat说，“它使组织的生物打印能够以高通量的方式进行，速度比现有的高细胞活力技术快得多。”

生物打印允许研究人员用活细胞和其他生物材料构建3D结构。活细胞被包裹在像水凝胶一样的基质中，制成生物墨水，然后用专门的打印机分层打印。这些细胞生长和增殖，最终在几周内成熟为3D组织。Ozbolat解释说，这就像建造一堵砖墙，其中细胞是砖块，生物链接是水泥或砂浆。

然而，用这种标准方法很难达到与人体相同的细胞密度，Ozbolat说。这种细胞密度对于发育既能发挥功能又能用于临床的组织至关重要。另一方面，球状体为组织生物打印提供了一个很有前途的选择，因为它们的细胞密度与人体组织相似。

虽然3D打印球体为产生必要的密度提供了可行的解决方案，但研究人员受到缺乏可扩展技术的限制。现有的生物打印方法经常在打印过程中破坏脆弱的细胞结构，杀死一些细胞。其他技术都很麻烦，不能精确控制制造人体组织复制品所需的球体的运动和位置。

或者这个过程很慢。在之前发表的研究中，Ozbolat和他的同事开发了一种吸气辅助生物打印系统。使用移液管尖端，研究人员可以捡起微小的细胞球，并将它们精确地放置在它们自组装的位置，从而形成固体组织。然而，由于这项技术需要一次移动一个球体，因此建造一个一立方厘米的结构可能需要几天的时间。

为了解决这些问题，该团队开发了一种名为生物打印高通量集成组织制造系统（HITS-Bio）的新技术。HITS-Bio使用了一种数字控制的喷嘴阵列，这是一种可以在三维空间中移动的多个喷嘴的排列，允许研究人员同时操作几个球体。该团队将喷嘴组织成一个4乘4的阵列，可以同时拾取16个球体，并将它们快速精确地放置在生物墨水基板上。喷嘴阵列还可以拾取定制图案的球体，然后可以重复创建复杂组织中的结构。

“这样我们就可以非常快速地建造可扩展的结构，”Ozbolat说。“它比现有技术快10倍，并保持90%以上的高细胞存活率。”

为了测试这个平台，研究小组开始制造软骨组织。他们创造了一个一立方厘米的结构，包含大约600个由能够形成软骨的细胞组成的球体。整个过程耗时不到40分钟，效率之高超过了现有生物打印技术的能力。

该团队随后在大鼠模型中展示了生物打印技术可用于外科环境下的按需组织修复。他们在手术中直接将球体打印到颅骨的伤口部位，这是第一次在术中打印球体。研究人员利用microRNA技术对球体进行编程，使其转化为骨骼。MicroRNA有助于控制细胞中的基因表达，包括细胞如何分化为特定类型。

Ozbolat说：“由于我们使用这种技术以高剂量输送细胞，它实际上加快了骨修复。”三周后，伤口在三周后愈合了91%，六周后愈合了96%。

Ozbolat说，HITS-Bio技术为以可扩展的方式创建复杂的功能性组织提供了机会。增加喷嘴的数量可以产生更大、更复杂的组织，比如器官和肝脏等器官组织。

Ozbolat说，该团队还在研究将血管整合到人造组织中的技术，这是生产更多类型的可用于临床或移植的组织的必要步骤。这在本研究中展示的两种应用中不是问题，因为软骨没有血管，在手术环境中，周围的血管可以帮助血液流向生物打印的骨组织。