生物3D打印如何制作一顆會(huì)呼吸的肺

 2019年5月《SCIENCE》以封面文章形式刊載了一篇利用生物3D打印技術(shù)打印出的會(huì)呼吸的肺囊泡。科學(xué)家利用CELLINK與VOLUMETRICA公司合作推出的LUMEN X生物打印機(jī)打印出能夠?qū)崿F(xiàn)紅細(xì)胞對(duì)氧氣攝取結(jié)合的肺囊泡。此文章一經(jīng)發(fā)表，立刻引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

 

生物3D打印的終極目標(biāo)是可以服務(wù)于醫(yī)學(xué)實(shí)踐，解決器官移植的現(xiàn)實(shí)困境。生物3D打印器官，功能實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一是器官內(nèi)脈管系統(tǒng)的構(gòu)造，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)代謝物質(zhì)交換。Science封面文章的研究成果顯然讓人類距這個(gè)目標(biāo)又邁進(jìn)了具有里程碑意義的一步。

1打印技術(shù)

根據(jù)生物墨水的利用方法，生物3D打印的方式通�？煞譃槲宸N，包括噴墨式打印技術(shù)、微擠出式打印技術(shù)、激光直寫式打印技術(shù)、立體光刻打印技術(shù)、聲波驅(qū)動(dòng)式打印技術(shù)。相對(duì)而言，五種方法中激光直寫式與立體光刻打印精度最高。

脈管系統(tǒng)作為一種閉合管路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精巧復(fù)雜，對(duì)打印精度要求較高，因而研究人員采用了立體光刻打印技術(shù)。立體光刻技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)三維打印呢？通俗的講，就是將構(gòu)建好的

三維立體模型，沿Z軸方向分割，形成一定厚度、相互連續(xù)的XY軸橫向切面；進(jìn)而將一片片的平面圖像，按照先后順序，作一層一層的光學(xué)投影；因?yàn)椴捎昧艘环N光敏材料，在光掩膜的協(xié)作下，短時(shí)間內(nèi)，第一層投影面照射的水凝膠迅速交聯(lián)固化，實(shí)現(xiàn)溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)變，Z軸方向的機(jī)械臂即可將第一層固化面拉起；拉起的高度剛好使得又一層水凝膠生物墨水暴露于新的光學(xué)投影面，發(fā)生第二層的投影-光固化反應(yīng)，第二層平面相互交聯(lián)的同時(shí)，第二層平面也和第一層平面融合交聯(lián)固化，這樣Z軸機(jī)械臂再次拉起相同高度，進(jìn)入下一輪投影-光固化過(guò)程，這樣不斷循環(huán)，直至整個(gè)三維模型打印成形。

 

研究人員正是用這種方法打印出了可控制液體單向流動(dòng)、具有二尖瓣結(jié)構(gòu)的微血管。

 

二尖瓣光刻動(dòng)圖與氣流動(dòng)圖

 

2打印材料
如何打印血管勢(shì)必要解決材料的生物相容性、固化效率、機(jī)械柔性等問(wèn)題。研究人員通過(guò)篩選，最終選擇了食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用的food dye 檸檬黃，作為光（波長(zhǎng)405nm）吸收劑，并觸發(fā)交聯(lián)。

3建立模型，優(yōu)化參數(shù)

解決了打印方法、材料之后，就是構(gòu)建與生物器官接近、滿足生物學(xué)功能發(fā)揮的三維模型，并一步步在實(shí)踐中從易到難由簡(jiǎn)到繁優(yōu)化打印參數(shù)了。

 

借鑒軸向螺旋、希爾伯特曲線、連續(xù)立方格、環(huán)形結(jié)等數(shù)學(xué)模型，研究人員利用立體光刻技術(shù)打印了多種雙流路閉合脈管系統(tǒng)。利用立體纏繞模型驗(yàn)證紅細(xì)胞換氧效率后，研究人員最終決定采用與肺泡更加接近的Weaire-Phelan 3D模型。

 

 

 

 

 

通過(guò)初步嘗試，驗(yàn)證Weaire-Phelan 3D模型構(gòu)建的微囊泡血管紅細(xì)胞換氣效率后，研究人員進(jìn)一步打印了末端肺囊泡，平面尺寸小于美元硬幣。

利用投影立體光刻打印成型后，模擬人體呼吸的節(jié)奏與氣流強(qiáng)度，結(jié)合血流變特性，最終證實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)紅細(xì)胞對(duì)氧氣的攝取結(jié)合�？梢园l(fā)現(xiàn)與初始進(jìn)入的紅細(xì)胞呈暗紅色相比，末端流出的紅細(xì)胞顏色相對(duì)變淺；對(duì)末端流出紅細(xì)胞收集定量檢測(cè)更加印證了這一點(diǎn)。

后續(xù)

生物3D打印技術(shù)希望通過(guò)功能器官的個(gè)性化定制解決器官移植的難題。該研究團(tuán)隊(duì)還利用他們建立的方法體系打印了一個(gè)具有可降解功能的微型肝臟。研究者將這個(gè)人工肝移植進(jìn)罹患肝炎的小鼠，觀察其生物學(xué)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)14天后依然具有生物功能，并可以改善小鼠生存狀況。

綜上所述，研究人員通過(guò)打印技術(shù)、材料、模型、打印參數(shù)等多方面的選擇優(yōu)化，最終于數(shù)分鐘內(nèi)體外構(gòu)建出了一個(gè)模擬肺功能、可實(shí)現(xiàn)血氧交換的肺囊泡。

 

該團(tuán)隊(duì)采用的投影立體光刻打印平臺(tái)即CELLINK與VOLUMETRIC公司合作推出的LUMEN X。

 

該款打印機(jī)采用SLATE技術(shù)，投影立體光刻，用100多萬(wàn)個(gè)同步光點(diǎn)進(jìn)行生物打印，XY軸50μm像素單位，Z軸精度5μm；波長(zhǎng)405nm，層交聯(lián)速度比其他方法快50倍；溫控載臺(tái)，投影光刻打印速度更快，精度更高，增強(qiáng)了微流控、細(xì)胞水凝膠及大孔徑結(jié)構(gòu)的打印。

CELLINK公司作為專業(yè)的生物墨水研發(fā)企業(yè)，可提供適合各種組織器官打印的生物墨水。

圖片來(lái)源：Science與Cellink。