一项新技术在生物打印功能性人体组织方面创造了更高的保真度

加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员在解决生物打印3d工程组织中一些最棘手的挑战方面取得了重大进展，同时满足了高细胞密度、高细胞活力和精细制造分辨率的关键要求。

这项由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程师领导的研究发表在2023年2月22日的《美国科学院院刊》上科学的进步。

生物打印是基于3d打印技术，使用细胞而且生物聚合物创造生物结构和组织。3 d -工程组织由活细胞和生物材料支架制成的功能性类人组织在生物医学应用方面具有巨大潜力，包括药物测试和开发、器官移植、再生医学、个性化医疗、疾病建模等。它们的使用可以显著提高药物开发过程的速度和完整性，并有助于缓解与器官供体短缺和免疫排斥相关的挑战。

最有前途的3d生物打印类型之一被称为数字光处理(DLP)生物打印。在3d生物打印的这一分支中，进展受到了实际和技术障碍的阻碍。事实证明，打印具有高细胞密度和精细分解结构的组织是困难的。

“打印后，我们培养结构，让细胞成熟或重组成功能组织。因此，细胞就像种子，每种细胞类型都有特定的密度，它们最有可能发芽，”领导该研究团队的纳米工程教授陈少晨说。

使用现有的方法，生物墨水(一种用于基于dlp的3D生物打印的生物相容性聚合物)中细胞的密度越高，光散射就越多，阻碍打印分辨率。

研究人员将这种光散射效应降低了十倍，使他们能够以高细胞密度和高分辨率打印，这要归功于生物墨水中的一种新成分碘伏醇造影剂。

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士后、陈团队成员、该研究论文的共同第一作者尚廷·尤说:“使用碘氯醇，我们开发了一种折射率匹配的生物墨水，用于基于dpp的生物打印，以减轻细胞的光散射，将能量集中在用户定义的光模式中，以提高打印保真度。”

近二十年来，Chen的实验室帮助引导了基于dlp的3D打印和生物打印技术的发展，帮助创建了现代3D生物制造的基础。

它是如何工作的

基于dlp的3D生物打印使用数字微镜设备(DMD)将3D模型的2D横截面投影到可光交联的生物墨水上。这种可光交联的生物墨水可以是合成的，也可以是天然的，当暴露在光线下时就会固化。然后，一个电动的平台将生物墨水提升几十微米到200微米，这使得未固化的生物墨水可以填充空白。当下一个横截面被投射到生物墨水上时，新的一层固化，这个过程重复进行。

当一切顺利时，新形成的层与投影截面的形状精确匹配。然而，用现有的方法，在生物墨水中加入细胞会导致严重的光散射，这使投射在生物墨水中的光变得模糊。因此，新形成的层不能复制投影截面的精细细节。

调节生物墨水的折射率可以最大限度地减少这种散射效应，并显著改善制造。Chen实验室的研究表明，在折射率匹配的明胶甲基丙烯酸酯(GelMA)生物墨水中，可以实现约50µm的特征尺寸，细胞密度高达1亿/mL。

这种方法引入了一些新的技术创新，包括嵌入在细胞负载的厚组织中的空心有机血管网络，使其能够进行灌注和长期培养，以及雪花和辐形，以展示积极和消极特征的高分辨率。

这个项目并非没有挑战。“我们已经开发了各种生物墨水材料和几种处理它们的方案，”加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士生Yi Xiang说，他是Chen团队的成员，也是该研究论文的共同第一作者。“但随着更大的组织打印时间的延长，细胞和生物材料中的任何不一致和不稳定性都被放大了。因此，我们必须修改和优化材料成分和处理程序。”

该项目标志着碘伏醇首次作为一种bioink在DLP生物打印中，需要较高的细胞密度和较长的曝光间隔。“我们进行了一系列的生物学调查来评估这种影响，并开发了一些印刷后的程序来充分消散碘伏醇，”向说。

利用碘伏醇介导的提高的打印分辨率，得到总体尺寸为17 x 11 x 3.6 mm的高密度预血管化组织^3.也是伪造的。

Chen说:“体外培养如此厚的组织受到氧气和营养物质扩散有限的阻碍。”“我们能够打印嵌入在组织中的直径在250微米到600微米之间的可灌注血管腔，它与灌注系统相连接，用于长期培养。我们证明，血管腔被内皮化，厚组织在培养14天内仍可存活。”

下一个步骤

该团队继续致力于优化其材料系统和生物打印功能性厚组织制造的参数，并已提交了涉及这项工作的临时专利。

Chen建议下一步包括开发精确结构的高密度体外组织模型，以改善组织学和功能的再现，并着眼于高密度大组织打印组织而且器官移植以及人类实验对象的替代品。