《AM》论文："低温生物打印"技术3D打印出活的人体肌腱

导读：到目前为止，很少有3D生物打印技术进入市场，而且该领域在这方面仍然处于相对早期的发展阶段。换言之，市面上真正可以投入实际应用的生物打印技术少之又少。

2022年2月10日，南极熊获悉，哈佛大学医学院和四川大学的研究人员已经开发出一种新的3D生物打印活人肌肉-肌腱组织的方法。

与普通的挤压式生物打印（涉及沿X和Y轴沉积细胞）不同，该团队的"低温生物打印"过程将细胞冷冻并垂直堆叠，以一种允许创建独立的混合细胞组织的方式。

科学家们表示，这种新技术制造的组织要比传统生物打印具备更强大和更多的功能，特别是当涉及到那些各向异性的性质时。因此，他们认为低温生物打印现在即可投入再生医学、药物发现或个性化的治疗应用。

△3D生物打印肌肉肌腱的近距离示意图。图片来自哈佛大学医学院/四川大学。

挤压式生物打印的替代品？

面对3D生物打印多数只是停留在实验室阶段的窘境，市面上亟需有真正可以投入实际应用的打印技术来证明生物打印绝不只是“纸上谈兵“。事实上，在那些处于实验层面的技术中，许多仍依赖于基于挤压的方法，这些方法通常具有功能性，但当涉及到打印严重依赖排列的组织时，如肌肉和神经纤维，它们往往会出现问题。

为了克服这些组织堆叠的问题，研究人员因此转向了 "冰塑"，这是一个冷冻过程，一旦解冻就会在充满细胞的水凝胶结构中形成微通道。当然，这样做通常会损害这些细胞的生存能力，所以为了防止这种情况，研究小组在他们的细胞中加入了低温保护剂（CPA）麦芽糖和二甲亚砜。

一旦冻结，研究人员就用紫外线（UV）光垂直交联这种新型生物墨水，并将其挤压成由高分辨率、蜂窝状的微通道网络组成的组织，能够支持各种不同类型的细胞，无论是骨骼肌肌细胞还是人类脐静脉内皮细胞。

"我们的结果表明，这种由甲基丙烯酰明胶和CPA组成的生物墨水，可以有效地用于垂直三维低温生物打印，使细胞在高活力下被包裹，"该团队在他们的论文中解释说。"在这个过程中，借助于定向冷冻形成的相互连接的、各向异性的、梯度的微通道，也实现了所需的细胞排列。"

△研究人员的低温生物打印技术。图片来自哈佛医学院/四川大学。

人体肌腱的 "低温生物打印"

在证明低温打印方法的可行性后，科学家们继续评估其在创建更复杂的多细胞类型组织结构方面的功效。为了实现这一目标，研究团队最初使用了一台配备了同轴喷嘴的3D生物打印机，将细胞沉积到垂直的核壳结构中，在这个过程中，他们可以精确控制材料的沉积，同时使用了多达8种不同的油墨。

值得关注的是，在这些组织内，研究人员还发现新方法允许他们创建可定制的、各向异性的微通道，以促进细胞生长，尽管成功的程度各不相同。经过几次试印，结合了麦芽糖和DMSO分别为8%和10%的生物墨水被证明是最有效的，产生的组织在60-80%的细胞活力之间波动。

尽管这些结果参差不齐，科学家们将其归因于实验过程中的潜在变化，但他们继续将他们的方法向前推进了一步，将其应用于肌腱 "连接处 "的创建，这种组织块以其有机形式将肌肉收缩的力量通过肌腱传递给人类的骨骼系统。

在这一过程中，低温生物打印被证明了是理想的，因为它能够创造出一个连接点，其下部细胞高度排列，而其纤维母细胞则较少，模仿了其自然对应的结构。一旦打印出来，所产生的肌腱被培养了七天，其中它的肌肉和血管生物墨水明显地相互连接，成长为一个密集的微血管网络。

因此，尽管该团队承认他们的方法目前有打印高度的限制，使其无法在某些体内应用中使用，但他们坚持认为，它还可以被用于创建肌肉骨骼模型，有可能帮助开发针对病人的治疗方法，并促进我们对人体的了解。

该团队在他们的论文中总结说："我们合理地预计，垂直三维低温生物打印策略可能会在组织工程中找到广泛的用途，这些组织的特点是面向内部细胞和细胞外基质的排列。该方法的另一个可能的用途是为生物研究、药物发现和个性化医疗创建体外肌肉骨骼模型。"

△荧光显微镜图像显示垂直低温生物打印后第1至7天的肌腱形成。图片来自哈佛大学医学院/四川大学。

新的生物打印方法

鉴于3D生物打印是一项新兴技术，加之研究人员不断为该领域带来创新的新想法，因此它的形式不断变化也就不足为奇了。就在上个月，英国伯明翰大学和哈德斯菲尔德大学的科学家透露，他们已经开发出一种新型的皮肤3D生物打印技术，能够治疗慢性伤口。

在偏向于商业应用的层面上，Inventia生命科学公司在2021年12月为其RASTRUM 3D生物打印技术的开发筹集了2500万美元。实际上，该公司的方法旨在使装载细胞的液滴以一定的速度相互分层，使它们在接触时结合，并且不影响它们的整体活力。

在更早些时候，伦敦帝国学院的研究人员也曾试验过将细胞冷冻作为生物打印可行的人类植入物的一种手段。在四年前发表的一篇论文中，该学院的一个团队试图将3D打印和低温技术结合起来，作为复制体内软组织质地的一种手段，并欺骗大脑和肺部接受移植物，就像它们是有机的一样。

研究人员的研究结果详见他们的论文，题为 "VerticalExtrusion Cryo(bio)printing for Anisotropic Tissue Manufacturing。“

相关论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202108931

欢迎3D打印专家、学者提供中文版学术稿件。

欢迎3D打印企业、课题组发布招聘信息。