華裔科學(xué)家開發(fā)“聲波鑷子”可生物3D打印單細(xì)胞
最近幾年3D生物打印技術(shù)的進(jìn)步堪稱突飛猛進(jìn)。事實上，3D生物打印機已經(jīng)能夠使用人體細(xì)胞與生物材料的混合物創(chuàng)建復(fù)雜的形狀——盡管單個細(xì)胞的3D打印則完全是另外一回事。幸運的是，日前，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家們宣布，他們成功研發(fā)出了一種神奇的“聲波鑷子”——顧名思義，這種鑷子完全是由兩個聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波組成的，它可以捕獲人類的單個細(xì)胞并放入其它地方而不損壞它。
這個有趣的創(chuàng)新剛剛被發(fā)布在了該大學(xué)的網(wǎng)站上，參與的科學(xué)家包括研究負(fù)責(zé)人、生物工程與力學(xué)教授黃竣，以及博士后 Feng Guo、Peng Li和James Lata，研究生Zhangming Mao和Yuchao Chen，前博士后研究員Zhiwei Xie和生物醫(yī)學(xué)工程教授Jian Yang。卡耐基梅隆大學(xué)總裁Subra Suresh也參加了這個團(tuán)隊。他們的工作成果出現(xiàn)在了最新一期的美國《國家科學(xué)院學(xué)報（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上。
據(jù)研究人員介紹，這種聲波鑷子本質(zhì)上是一種工具，科學(xué)家們可以用它在3D空間里移動細(xì)胞，并構(gòu)建起非常精確的結(jié)構(gòu)，整個過程不會接觸、變形或者標(biāo)記細(xì)胞。“在這個應(yīng)用中，我們使用表面聲波來創(chuàng)建節(jié)點以捕獲細(xì)胞或微粒。”黃竣教授解釋說：“我們可以在3D空間中移動細(xì)胞或粒子，在兩個或三個維度中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。”
這個鑷子本身是用兩條表面聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波組成的。當(dāng)聲波發(fā)生碰撞時，他們創(chuàng)建的壓力場就能夠捕獲和運送一個粒子或細(xì)胞。通過同時移動發(fā)生器，該細(xì)胞也可以精確地運送。“我們的研究提供了一種獨特的方式可以在三個維度上準(zhǔn)確地操縱生物細(xì)胞，而且不需要任何侵入性接觸或生化標(biāo)記。”Subra Suresh解釋說：“這種做法將會在再生醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、組織工程、生物制造、癌癥轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域的應(yīng)用及實驗研究中導(dǎo)致新的可能性。”
這項技術(shù)最重要的也許不是它能夠無傷地捕獲細(xì)胞，而是非常精確地定位它們的能力。該研究團(tuán)隊稱，他們正在一個非常基礎(chǔ)的水平上模仿3D生物打印——撿拾細(xì)胞并以精確、無創(chuàng)傷的方式用細(xì)胞組成3D結(jié)構(gòu)。這是一項非常重要的技術(shù)創(chuàng)新，因為細(xì)胞間的通訊和細(xì)胞與環(huán)境之間的相互作用是很難通過3D生物打印來獲得。盡管目前這種聲波鑷子嚴(yán)格意義上并非3D打印機，但是它很有可能導(dǎo)致3D打印領(lǐng)域期待已久的創(chuàng)新的產(chǎn)生。
黃竣教授
目前迭代的3D聲波鑷子已經(jīng)相當(dāng)精確，它的垂直放置精度可達(dá)每個細(xì)胞1微米，水平精度達(dá)到2微米。使用該設(shè)備，一個10微米的粒子能夠以大約每秒2.5微米的速度移動。在使用時其波長和輸入功率都是可以調(diào)整的，從而為研究人員帶來了很大的方便。
黃竣教授稱：“3D聲波鑷子可以通過控制一定數(shù)量細(xì)胞、細(xì)胞間距，并按照預(yù)定的幾何結(jié)構(gòu)來排列細(xì)胞。這就為打印神經(jīng)元細(xì)胞以創(chuàng)造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其用于神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用或者神經(jīng)元再生醫(yī)學(xué)提供了一種獨特的方法。”
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