生物3D打印如何制作一顆會呼吸的肺

 2019年5月《SCIENCE》以封面文章形式刊載了一篇利用生物3D打印技術打印出的會呼吸的肺囊泡�？茖W家利用CELLINK與VOLUMETRICA公司合作推出的LUMEN X生物打印機打印出能夠?qū)崿F(xiàn)紅細胞對氧氣攝取結(jié)合的肺囊泡。此文章一經(jīng)發(fā)表，立刻引起了學術界的廣泛關注。

 

生物3D打印的終極目標是可以服務于醫(yī)學實踐，解決器官移植的現(xiàn)實困境。生物3D打印器官，功能實現(xiàn)的難點之一是器官內(nèi)脈管系統(tǒng)的構(gòu)造，進而實現(xiàn)營養(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目標又邁進了具有里程碑意義的一步。

1打印技術

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、微擠出式打印技術、激光直寫式打印技術、立體光刻打印技術、聲波驅(qū)動式打印技術。相對而言，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)精巧復雜，對打印精度要求較高，因而研究人員采用了立體光刻打印技術。立體光刻技術如何實現(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；進而將一片片的平面圖像，按照先后順序，作一層一層的光學投影；因為采用了一種光敏材料，在光掩膜的協(xié)作下，短時間內(nèi)，第一層投影面照射的水凝膠迅速交聯(lián)固化，實現(xiàn)溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)變，Z軸方向的機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投影面，發(fā)生第二層的投影-光固化反應，第二層平面相互交聯(lián)的同時，第二層平面也和第一層平面融合交聯(lián)固化，這樣Z軸機械臂再次拉起相同高度，進入下一輪投影-光固化過程，這樣不斷循環(huán)，直至整個三維模型打印成形。

 

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

 

二尖瓣光刻動圖與氣流動圖

 

2打印材料
如何打印血管勢必要解決材料的生物相容性、固化效率、機械柔性等問題。研究人員通過篩選，最終選擇了食品工業(yè)中廣泛應用的food dye 檸檬黃，作為光（波長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、滿足生物學功能發(fā)揮的三維模型，并一步步在實踐中從易到難由簡到繁優(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)學模型，研究人員利用立體光刻技術打印了多種雙流路閉合脈管系統(tǒng)。利用立體纏繞模型驗證紅細胞換氧效率后，研究人員最終決定采用與肺泡更加接近的Weaire-Phelan 3D模型。

 

 

 

 

 

通過初步嘗試，驗證Weaire-Phelan 3D模型構(gòu)建的微囊泡血管紅細胞換氣效率后，研究人員進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)奏與氣流強度，結(jié)合血流變特性，最終證實能夠?qū)崿F(xiàn)紅細胞對氧氣的攝取結(jié)合�？梢园l(fā)現(xiàn)與初始進入的紅細胞呈暗紅色相比，末端流出的紅細胞顏色相對變淺；對末端流出紅細胞收集定量檢測更加印證了這一點。

后續(xù)

生物3D打印技術希望通過功能器官的個性化定制解決器官移植的難題。該研究團隊還利用他們建立的方法體系打印了一個具有可降解功能的微型肝臟。研究者將這個人工肝移植進罹患肝炎的小鼠，觀察其生物學表現(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，研究人員通過打印技術、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)建出了一個模擬肺功能、可實現(xiàn)血氧交換的肺囊泡。

 

該團隊采用的投影立體光刻打印平臺即CELLINK與VOLUMETRIC公司合作推出的LUMEN X。

 

該款打印機采用SLATE技術，投影立體光刻，用100多萬個同步光點進行生物打印，XY軸50μm像素單位，Z軸精度5μm；波長405nm，層交聯(lián)速度比其他方法快50倍；溫控載臺，投影光刻打印速度更快，精度更高，增強了微流控、細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。

圖片來源：Science與Cellink。