研究人员转向微流体技术,希望3D打印人体器官

2022 年 05 月 05 日

      4月28日讯,新泽西州史蒂文斯理工学院的研究人员正在使用计算建模技术来推进基于微流体的 3D 生物打印,他们希望有一天能够制造出整个人体器官。当今许多最先进的生物打印机都基于挤出工艺,通过喷嘴沉积生物墨水以创建尺寸约为 200 微米的组织结构。
        相反,基于微流体的生物打印机将通过通过微小通道精确操纵液体来运行,并且可以打印尺寸仅为数十微米的结构。这更类似于单细胞规模,据报道,如果我们想让 3D 打印器官成为现实,这就是所需要的。领导这项工作的史蒂文斯谢弗工程与科学学院副教授 Robert Chang 解释说:“规模非常重要,因为它会影响器官的生物学。我们在人类细胞的规模上运作,这让我们能够打印出模仿我们试图复制的生物特征的结构。”

一位使用 CELLINK 3D 生物打印机的科学家。BICO 的 Bio X 3D 生物打印机,一种基于挤压的系统。通过 BICO 照片。
  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,但一直缺乏合适的捐赠者。在美国,目前有超过 100,000 名患者在等待移植名单上,每天约有 17 人在等待捐赠者时死亡。长期以来,3D 生物打印技术一直被认为是该问题的潜在解决方案,但缺乏技术发展意味着我们还没有完全做到这一点。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 Chang 和他的团队认为,微流体技术可能是设计几乎任何类型的复杂组织的关键。这包括整个重要器官,甚至直接印在开放性伤口上的皮肤。
        “在不需要人类捐赠者的情况下创造新的器官来订购和挽救生命,这将对医疗保健带来巨大的好处,”Chang 说。 “然而,实现这一目标很棘手,因为使用生物墨水(充满培养细胞的水凝胶)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。”
       除了允许更小的规模外,基于微流体的工艺还将与多种生物墨水兼容。这些生物墨水中的每一种都可能包含不同细胞类型的前体,因此用户可以将它们组合在一个打印的组织结构中。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协同工作。
  计算建模 3D 生物打印
          将 3D 生物打印过程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,Chang 和他的团队开发了一个微流体打印头的计算模型。该模型允许他们微调参数并预测它们可能如何影响过程,而无需进行繁琐的物理实验。该研究的第一作者 Ahmadreza Zaeri 表示:“我们的计算模型推进了一种公式提取,可用于预测从微流体通道中挤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。结果将用于开发多细胞型生物墨水。 Chang 还致力于将微流体生物打印技术用于直接在伤口上制造皮肤。

建模微流控打印头的示意图设计和数值建模参数,图片来自 Stevens IoT。

         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 Phase Inc 与弗吉尼亚理工大学合作推进微流体 3D 打印领域。 Phase 和 Virginia Tech 将共同使用前者专有的 LE3D 打印技术开发新型微流体设备,帮助研究人员针对脑癌等疾病制定新的和改进的医学治疗方法。

       在其他地方,布里斯托大学的研究人员此前开发了一种新颖、低成本和开源的 3D 打印工艺,用于生产微流控设备。 只需要简单的家用设备和标准的桌面 3D 打印机,并且已经在免费使用的软件中开发,研究人员的过程降低了制造微流体的成本和复杂性,使该领域更容易获得。

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