科學家開發(fā)微流控3D生物打印技術(shù)，可以更好地復制細胞結(jié)構(gòu)

2022年4月28日，南極熊獲悉，美國史蒂文斯理工學院的一個研究小組目前正致力于開發(fā)一種基于微流控技術(shù)的生物打印方法。據(jù)悉，這種微流控生物打印是一種操縱具有微米級特征的液體的技術(shù)。它有趣的地方在于，這個項目將使研究人員有能力在比以前更小的范圍內(nèi)工作，甚至可以創(chuàng)造任何類型的人體組織。研究人員可以非常精確地復制人體細胞的生物特征，從而推進器官移植等工作。

在羅伯特-張教授的領(lǐng)導下，該團隊開發(fā)了一個計算模型，以加速微流控生物打印并實現(xiàn)器官開發(fā)。根據(jù)美國衛(wèi)生和人類服務部衛(wèi)生資源和服務管理局的移植司（DoT）的數(shù)據(jù)，目前全國有105,940人在等待移植。缺乏可供移植的器官對全國人民來說是致命的，而這個問題有可能因為3D打印而得到解決。正如你可能知道的那樣，生物打印能夠復制定制的細胞結(jié)構(gòu)，以促進皮膚甚至器官等的創(chuàng)造。盡管我們離獲得3D打印的心臟或功能齊全的腎臟還很遠，但正如這一最新進展所清楚表明的，進步是真實的。

△微流控技術(shù)是一門操縱具有微米級特性的液體的科學

這個美國團隊所進行的研究可能會使生物打印領(lǐng)域的格局發(fā)生變化，尤其是它是基于微流控技術(shù)的。市場上的其他3D生物打印機主要是基于擠壓技術(shù)，即逐層擠壓油墨，厚度約為200微米。然而，由于有了微流控生物打印技術(shù)，它將有可能縮小到只有幾十微米，并以這種方式擁有更接近于細胞本身的規(guī)模。

羅伯特-張解釋說。"創(chuàng)造新的器官，在不需要人類捐贈者的情況下拯救生命，這對醫(yī)療保健行業(yè)來說將是一個巨大的好處。然而，實現(xiàn)這一目標是很棘手的，因為使用生物墨水（充滿培養(yǎng)細胞的水凝膠）打印器官需要對打印的微纖維的幾何形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，而目前的3D打印機根本無法實現(xiàn)。"

通過盡可能接近人體細胞的規(guī)模，該團隊將能夠重現(xiàn)每個細胞的更詳細的生物特征。該團隊已經(jīng)開發(fā)了一個微流控打印頭的計算機模型，以控制諸如流速和流體動力學等參數(shù)。這個模型使其能夠修改生物打印結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。最重要的是，它提供了混合幾種生物墨水的可能性，因此也提供了混合幾種類型細胞的可能性，以設(shè)計更復雜的器官。

△目前的3D生物打印機主要基于擠壓工藝（圖片來源：Département06-Xavier Giraud）。

BICO的Bio X 3D生物打印機，一個基于擠壓的系統(tǒng)。照片來自BICO。

到目前為止，研究人員說他們已經(jīng)用3D打印的支架打印了水囊。但通過結(jié)合多種生物墨水，他們希望能走得更遠。Robert Chang總結(jié)說："能夠在這種規(guī)模下操作，同時精確混合生物墨水，使我們有可能復制任何組織類型。這項技術(shù)仍然很新，我們不知道它能實現(xiàn)什么，但我們知道它將打開創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)和重要新型生物應用的大門。"

△微流控打印頭建模的示意圖和數(shù)值建模參數(shù)，圖片來自Stevens IoT。