《先進(jìn)材料》3D打印新速度！22秒打印出含活細(xì)胞的耳朵支架

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

自從生物材料界泰斗美國(guó)三院院士Robert Langer提出組織工程的概念后，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)一直致力于尋找合適的支架材料，干細(xì)胞以及生長(zhǎng)因子去實(shí)現(xiàn)組織再生用于替代已經(jīng)壞死或者缺損的部分。試想有一天人類(lèi)不在需要器官移植去治療臟器衰竭，盡盡需要利用自己身上的干細(xì)胞就能復(fù)刻出完全沒(méi)有排異的器官。盡管設(shè)想非常美好，組織再生的研究也僅僅處于起步階段，而這在很大程度上是由于材料方面的問(wèn)題。人體的組織和器官有著非常復(fù)雜和精巧的空間結(jié)構(gòu)，譬如NBA球員最脆弱的零件半月板就有著特殊的外表拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且內(nèi)部是多孔疏松的陣列在力學(xué)上能夠有效地分散受力。在組織再生的過(guò)程中，應(yīng)用的材料要盡可能地還原組織原有的構(gòu)型才能最大程度上發(fā)揮作用。由于大部分的組織和器官都是不規(guī)則，去制備對(duì)這些支架對(duì)材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)由于生物3D打印的興起，生物相容的樹(shù)脂可以有效準(zhǔn)備特殊形狀的支架同時(shí)包埋細(xì)胞，但是最常見(jiàn)的方法，如立體光刻(stereolithography)和擠出打印（extrusion-based printing）在生物3D 打印中都有或多或少的問(wèn)題，例如打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞沉積和死亡。

原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.20190420

研究介紹
立體打�。╒olumetric Printing）是加州伯克利大學(xué)Hayden K. Taylor教授今年提出的新穎的打印方法：各個(gè)方向的二維投影到一個(gè)圓柱體的光敏樹(shù)脂中，圓柱體在不停旋轉(zhuǎn)中在很短時(shí)間內(nèi)（小于1分鐘）特定形貌的結(jié)構(gòu)就會(huì)形成。相關(guān)論文以“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”為題目，發(fā)表在《Science》上（《Science》3D打印革命性升級(jí)！只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面）

以光為刀，簡(jiǎn)單照射。

需要打印的物體就在水中出現(xiàn)。

近日，荷蘭烏得勒支大Riccardo研究小組首次使用“立體打印”技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物3D打印。只要短短22秒的時(shí)間，對(duì)，你沒(méi)有看錯(cuò)只要22秒，包含有細(xì)胞的耳朵支架就能成型（圖1）。相關(guān)論文以“Volumetric Bioprinting of Complex Living‐Tissue Constructs within Seconds”為題目，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1. A) 和B)是volumetric printing的示意圖，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱形容器中裝有光敏樹(shù)脂和細(xì)胞，各個(gè)角度的投影到圓柱體中制備得到載有細(xì)胞的耳朵（C）。

構(gòu)建這樣一個(gè)3D打印體系非常容易，只需要常見(jiàn)的光敏生物相容樹(shù)脂（甲基丙烯酰氯）和合適的光敏劑。光敏劑的濃度和吸光系數(shù)很重要，因?yàn)檎麄�(gè)過(guò)程是在空間上選擇性的交聯(lián)，容器背部的透光率要維持在37%及以上。和傳統(tǒng)的生物3D打印方法 （extrusion-basedprinting 和Digital light processing）相比這個(gè)方法大大縮短了時(shí)間（從幾個(gè)小時(shí)縮短到幾十秒鐘）。不僅如此，如果把模型放大兩倍到三倍，打印時(shí)間還是維持一樣！更逆天的是，如此迅捷的打印不僅沒(méi)有損失打印的精度，表面的平滑還原度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他兩種方法！

圖2. A) 在光引發(fā)劑存在的情況下光透過(guò)的示意圖 B) 用三種打印方法打印一個(gè)人耳模型所用時(shí)間的對(duì)比以及模型表面形貌的對(duì)比（C）
除了耳朵，研究團(tuán)隊(duì)還挑戰(zhàn)了松質(zhì)骨模型，成功包埋造骨細(xì)胞（O-MSCs紅色）在支架內(nèi)并且保持了85%的活性展現(xiàn)了極強(qiáng)的代謝能力。之后繼續(xù)加入內(nèi)皮克隆形成細(xì)胞（ECFCs綠色）和間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞(P-MSCs黃色)，協(xié)同促進(jìn)血管形成。這種方法在組織再生領(lǐng)域展示了無(wú)限的潛力。綜上這種新的生物3D打印方法真正意義上做到了“更快，更逼真，更安全”。

圖3. i) 松質(zhì)骨模型打印并且包埋細(xì)胞長(zhǎng)達(dá)7日 ii)模型的CT

加入內(nèi)皮克隆形成細(xì)胞（ECFCs綠色）和間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞(P-MSCs黃色)，協(xié)同促進(jìn)血管形成