革命性生物打印方法将功能性组织的创建速度提高十倍

来自宾州州立大学的研究团队开发了一种突破性的生物打印方法，利用细胞的聚集体——球状体，形成复杂的组织。这一进展提高了组织创建的精度和可扩展性，使得以当前已建立的方法十倍的速度生产组织成为可能。研究人员认为，这一发展可能为功能性组织和器官的创造奠定基础，从而促进再生医学的进步。

他们的研究结果发表在自然通讯上。

“这种方法代表了在快速生物打印球状体方面的一次重大飞跃，”持有多萝西·福尔·霍克和J·劳埃德·霍克3D生物打印和再生医学讲席的Ibrahim T. Ozbolat说道，他是宾州州立大学工程科学与力学、生物医学工程和神经外科的教授。“与现有技术相比，它允许以更快的速度进行高通量的组织生物打印，同时保持高细胞活力。”

通过生物打印，科学家们可以用活细胞和多种生物材料创建三维结构。活细胞被包裹在如水凝胶的物质中，形成生物墨水，由专用打印机分层打印。经过数周，这些细胞扩展并发展成3D组织。Ozbolat将这一过程与砌筑砖墙进行比较，细胞就像砖块，而生物墨水则充当水泥。

然而，根据Ozbolat的说法，实现与人类体内相同的细胞密度在传统方法上是一个挑战。这个高细胞密度对于开发具有功能性且适合临床应用的组织至关重要。球状体提供了一种有希望的解决方案，因为它们的细胞密度类似于人类组织。

虽然利用球状体创建3D结构提供了一种实现所需细胞密度的可行方法，但研究人员在历史上由于缺乏可扩展的方法而遭遇困境。传统的生物打印技术通常会破坏精细的细胞结构，导致在打印过程中细胞的死亡。其他现有技术则过于笨重，缺乏将球状体准确定位以形成人类组织复制品所需的精确控制。

一些方法的速度则过于缓慢。在早期研究中，Ozbolat和他的团队引入了一种吸引辅助生物打印系统。通过使用移液管尖，他们能够精确定位小的细胞聚集体，以便自组装成固体组织。然而，这种技术是逐个移动球状体，这意味着生产一个一立方厘米的结构可能需要数天时间。

为了克服这些障碍，研究团队创建了一个新的系统，称为高通量集成组织制造系统（HITS-Bio）。HITS-Bio采用数字控制的喷嘴阵列，可以三维移动，能够同时操控多个球状体。该阵列以四乘四的布局组织，能够同时处理16个球状体，迅速而准确地将它们定位于生物墨水基体上。喷嘴阵列还可以以自定义模式操控球状体，然后复制以设计复杂组织中的结构。

“我们可以快速构建可扩展的结构，”Ozbolat指出。“速度比以往的方法快十倍，同时确保90％以上的细胞活力。”

为了评估该平台的能力，研究人员尝试制造软骨组织。他们生产了一个一立方厘米的结构，包含约600个由软骨形成细胞组成的球状体，整个过程在40分钟内完成——这一效率大大超过了现有生物打印技术的限制。

该团队还展示了生物打印技术在使用大鼠模型的手术环境中进行即时组织修复的应用。在手术过程中，他们直接将球状体打印到颅骨伤口中，标志着术中球状体打印的首次实现。研究人员使用微RNA技术编程，使球状体转变为骨头，这种技术调节影响细胞分化的基因表达。

“通过这种技术传递大量细胞，我们加快了骨愈合过程，”Ozbolat分享道。在三周后，伤口已愈合91%，六周时愈合率达到96%。

Ozbolat表示，HITS-Bio系统为以可扩展的方式创建复杂和功能性组织铺平了道路。通过增加喷嘴的数量，它可以促进更大、更复杂的组织的发展，包括像肝脏这样的器官。

Ozbolat提到，研究团队还在探索将血管纳入生物打印组织的方法，这是生成可以临床使用或用于移植的细胞的关键步骤。在本研究中展示的两个应用中并不存在这一问题，因为软骨缺乏血管。在手术环境中，周围的血管可以支持对生物打印骨组织的血流。

该研究的其他贡献者包括宾州州立大学生物医学工程博士生金明焕（Myoung Hwan Kim）；工程科学与力学的博士后学者Yogendra Pratap Singh和Miji Yeo；持有纳米治疗学和再生医学讲席的Daniel Hayes；以及宾州州立大学医学院的神经外科教授Elias Rizk。共同作者Nazmiye Celik在研究期间是一名工程科学与力学的博士研究员，目前是约翰斯·霍普金斯大学的博士后研究员。

Ozbolat、Kim、Singh、Yeo和Hayes都是霍克生命科学研究所的成员。Ozbolat和Hayes也与宾州州立大学材料研究所相关，Ozbolat还与宾州州立大学癌症研究所有联系。

该研究得到了国家生物医学成像与生物工程研究所和国家牙科与颅面研究所的资助。