生物 3D 打印:把细胞变成可以"打印"的材料

前两篇从脑机接口聊到神经细胞培养,留下的问题是:培养皿里的细胞是二维或者随机堆叠的,能不能按设计好的三维结构把细胞"摆"好?生物 3D 打印(bioprinting)就是在尝试回答这件事。依然是业余学习笔记。

和普通 3D 打印有什么不同

普通 3D 打印的材料是塑料、树脂、金属,可以高温、高压、用有机溶剂。生物打印的"墨水"里有活细胞,所以整个过程必须温和:温度、剪切力、紫外线、溶剂都要控制在细胞能承受的范围内,打印完还要让细胞活下来、长起来。

常见的几种打印工艺

• 挤出式:最常见,像挤牙膏一样把含细胞的墨水挤出成丝逐层堆叠。适合高细胞密度,缺点是喷嘴里的剪切力会损伤细胞,分辨率一般在几十到几百微米。
• 喷墨式:把微小液滴喷到指定位置,速度快、成本较低,对墨水粘度要求高。
• 激光辅助:用激光把墨水从供体层转移到接收面,没有喷嘴堵塞问题,精度高,但设备复杂昂贵。
• 光固化(立体光刻、DLP):用光照射含光引发剂的液态墨水使其固化,分辨率好,要关注光引发剂和光照对细胞的影响。

生物墨水:决定成败的材料

墨水既要在喷出时好挤、喷完后能保形,又要对细胞友好。常见的基础材料有:

• 海藻酸盐:遇钙离子快速凝胶,便宜好用,但细胞黏附性差。
• 明胶及其改性产物 GelMA(甲基丙烯酰化明胶):生物相容性好,可通过光交联调节硬度。
• 胶原蛋白、纤维蛋白:接近天然细胞外基质,但力学强度偏低,打印保形有难度。
• 脱细胞基质(dECM):保留了组织特异的成分,来源和批次稳定性是挑战。

一个值得提的方案是 FRESH(自由形态可逆嵌入的悬浮水凝胶)打印:把软的生物墨水打印到支撑浴中,打印完再把支撑浴融化掉,这样可以做出以往很难保形的柔软结构。卡内基梅隆大学 Adam Feinberg 团队在 2015 年发表了最初的方法,2019 年又用它打印出了心脏组织的部分结构模型。

已经走到哪一步

目前比较成熟的是用于药物筛选的组织模型、皮肤和软骨等结构相对简单的组织。2022 年,美国公司 3DBio Therapeutics 为一位患者植入了用其自身细胞打印的耳朵支架,被报道为首例此类人体植入,属于早期临床探索。像肝、肾、心脏这样的大型复杂器官,离真正的临床应用还很远。

最大的难题:血管

组织超过一两百微米厚,中心的细胞就拿不到氧气和营养。没有血管网络,打印出来的东西做不大,也撑不久。目前的思路包括牺牲墨水(先打印再溶掉形成通道)、同轴打印管状结构、让内皮细胞自组装成毛细血管网等。每一种都在逼近,但还没有一个能稳定覆盖全尺度的方案。

回到神经这条线

神经组织比较特殊:质地非常柔软,细胞对力学环境敏感,还需要长距离的轴突连接。已有一些研究尝试打印含神经元的水凝胶结构,配合电极做界面。它们如果和前面两篇的内容结合,例如把打印出的神经组织放到多电极阵列上做长期记录,会是一个很有意思的方向。但这仍然是基础研究阶段,别期待短期落地。

说明:本文为个人学习笔记,仅供技术交流,不构成医疗建议。涉及的研究和产品信息请以官方资料与原始论文为准。