浙大科研人员借助微气流打印出3D生物活性微结构

中研股份2018年10月10日讯  浙江大学机械工程学院贺永教授介绍说,目前生物3D打印处于“初级阶段”,已经能够精准打印牙齿、骨骼等组织结构相对简单的零部件并应用于临床,颅骨损伤的病人也可以通过3D打印头盖骨实现整形,但天然的生物组织更为复杂。

贺永教授课题组发明了一种新型生物3D打印方法,能够借助微气流,操控不同种类的细胞形成特定结构的微球,进而长成具有生物活性的微组织。这一方法将为体外重建器官以及实施更有效的细胞治疗提供有效路径。

相关论文Airflow‐Assisted 3D Bioprinting of Human Heterogeneous Microspheroidal Organoids with Microfluidic Nozzle近日作为封底论文刊登在WILLY旗下的SMALL杂志上。通讯作者为贺永教授、浙大机械工程学院的傅建中教授和基础医学院的欧阳宏伟教授。

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“比如血管,由成纤维细胞、平滑肌细胞、内皮细胞等组成的复杂结构。如果要‘打印’血管,就需要将不同的细胞打印到一起,形成特定的结构。”贺永教授说。

课题组将不同的细胞分别用水凝胶包裹制成“生物墨水”,在一个微流控芯片喷头的控制下,一点点“吐”出“墨水”。

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“用这台机器,我们‘打’出了血管化的骨组织。”贺永教授说,他们第一次用两种分别混合了骨髓间充质干细胞和人脐带静脉内皮细胞的“生物墨水”,同步打印出了带螺旋形的微球。其中,骨髓间充质干细胞可定向分化为成骨细胞,内皮细胞会形成血管化细胞。经过几天实验室培养,呈螺旋形血管化的成骨类器官就形成了。

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图:基于该方法制造的螺旋异质凝胶微球

用这种方法,实验室还做出了玫瑰花、带螺旋的微球、太极等造型的颗粒,直径在200微米左右。总之,可以操纵细胞任意形成特定的“队形”。

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“生物墨水”的组分之一水凝胶是一种非常柔软的物质,如何实现精准操控是一项颇为艰巨的挑战。

课题组用一阵“风”巧妙解决这个难题。在一股微气流的吹动下,喷头吐出的液滴不会马上落下,而是旋转起来,此时再根据数学建模控制不同组分生物墨水下降的方向,就能形成精致的立体结构。“这个过程,有点像在转动的蛋糕模具上裱花,让不同细胞形成特定的立体‘编队’。”贺永教授说。

“这一技术的精度可以达到单细胞分辨率”贺永教授说,与现有生物制造方法相比,其特点是首次实现了在微小空间内三维结构的可控成型,为体外重建复杂类器官提供了新思路。

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