自3D打印技術面世以來，在科學家魔術般的雙手里不斷推陳出新，據南極熊了解，近日，浙江大學機械工程學院賀永教授課題組發明了一種新型生物3D打印方法。該方法能夠操控不同種類的細胞形機械成特定結構的微球，進而長成具有生物活性的微組織，將為體外重建類器官，為開發更為高效的器官芯片、實施更有效的細胞治療等提供有效路徑。
相關論文Airflow‐Assisted3DBioprintingofHumanHeterogeneousMicrospheroidalOrganoidswithMicrofluidicNozzle近日作為封底論文刊登在WILLY旗下的SMALL雜志上。通訊作者為賀永教授、機械工程學院的傅建中教授和基礎醫學院的歐陽宏偉教授。
挑戰——活性生物組織結構剖析
如果有一天，人類能夠自由制造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來源就不再成為問題。但要真正實現活體器官的3D打印，路途還是有點遠。在3D打印的“初級階段”，人類已經能夠精準地打印牙齒、骨骼等組織結構相對簡單的零部件，并應用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實現整形。如果要把打印目標擴展到人體所有“零件“，挑戰就大多了。
首先，你要保證人造器官能夠適應人體的力學環境，不能太硬、太軟或者塌陷；其次，器官要能夠存活并發揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心臟“模型”已經很多，但至今沒有一個真正的3D打印心臟能夠成功植入生物體。“我們試試能否先實現一個小目標，打印生物活性的微組織。”賀永說。
天然的生物組織比我們想象的復雜。比如血管是由成纖維細胞、平滑肌細胞、內皮細胞等組成的復雜結構。平滑肌維持了血管的彈性，內皮細胞分泌生長因子防止血液凝固。“如果要‘打印’血管，就需要將不同的細胞打印到一起，形成特定的結構。”賀永說。三年前，課題組開始了嘗試。
靠一股氣，螺螄殼里做道場
科學家將不同的細胞分別用水凝膠包裹制成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控制下，一點點“吐”出多組分細胞微滴。
“用這臺機器，我們‘打’出了血管化的骨組織。”賀永說，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質干細胞和人臍帶靜脈內皮細胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。其中，骨髓間充質干細胞可定向分化為成骨細胞，內皮細胞會形成血管化細胞。經過幾天實驗室培養，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。
用這種方法，實驗室還做出了玫瑰花、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米左右。總之，可以操縱細胞任意形成特定的“隊形”。
“生物墨水”的組分之一水凝膠是有名的“軟”物質，要對這么軟的材料進行精準操控，是一項頗為艱巨的挑戰。課題組用一陣“風”巧妙解決這個難題：在一股微氣流的吹動下，噴頭吐出的液滴不會馬上落下，而是會旋轉起來，此時再根據數學建模控制不同組分生物墨水下降的方向，就能形成精致的立體結構。這個過程，有點像我們在轉動的蛋糕模具上裱花，讓不同細胞形成特定的立體“編隊”。
“這一技術的精度可以達到單細胞分辨率”賀永說，與現有生物制造方法相比，其特點是首次實現了在微小空間內三維結構的可控成型，為體外重建復雜類器官提供了新思路。
有望應用于器官芯片、細胞治療
“我們可以構造出具有活性的迷你生物組織，用于藥物篩選的器官芯片”，賀永說，另一個用途是細胞治療。當前細胞治療的一大難點在于直接注射的細胞容易被自身的免疫細胞吞噬，因此只對某些特定的疾病有效。“我們或許能可以打印出具有特定功能的細胞微球，細胞抱團在血管中行進，就不怕被吃掉，而且一到目的地可以馬上發揮作用。”賀永說。
浙大一位從事生物學研究的教授認為，這項研究在醫學上很有意義：目前人類的技術已經可以通過干細胞培養出各種類型的細胞，但接下來，我們還需要讓這些細胞形成特定的組織結構。“生物體內的細胞與細胞之間有豐富多樣的連接方式，它們并不是‘一鍋粥’，因此，怎樣讓細胞形成不同的層次，組織、甚至器官，是一項非常重要的課題。”
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