近期全球3D打印產(chǎn)業(yè)四大驚人成果(2)
哈佛科學家成功3D打印“生物機器人”
在當前的3D打印領域，3D生物打印器官可以被稱為圣杯之一，世界各地的眾多研究團隊都正在努力實現(xiàn)3D打印可植入的組織。日前，哈佛大學的研究人員朝著這個方向完成了重要的一步。在一次探索心臟組織工程的嘗試中，由該校教授Kit Kevin Parker帶領的一個團隊打造出了一條“活”的微型魔鬼魚（又稱黃貂魚、刺鰩）。據(jù)悉這個神奇的生物機器人是用大鼠心臟肌肉組織和3D打印的黃建軟骨組成的，它能夠?qū)獾拿}動產(chǎn)生反應。
當然，在這里“活”一定是打引號的，因為這條硬幣大小的魔鬼魚并不是真正活的。盡管這些組織細胞是活的，而且它們也能夠?qū)饩�產(chǎn)生反應，以方便移動，但該生物實際上并不能進行自主決策、繁殖等。盡管如此，這也可以稱得上是顛覆性的突破，并足以推動機器人、人工智能、生物工程和3D生物打印領域更多的創(chuàng)新。對大多數(shù)顛覆性突破一樣，它也開始于一個簡單的想法。兩年前，Parker教授帶著年輕的女兒去波士頓的新英格蘭水族館，在那里他看到自己的女兒完全沉迷于魔鬼魚。教授看著展覽，開始思考如何開發(fā)能夠以類似蜿蜒模式移動的肌肉。“突然就像一道閃電擊中了我，它看起來很像心臟的肌肉層，這使我找到了用肌肉組織打造該系統(tǒng)的方法。”他回憶道。
左側(cè)是人造的魔鬼魚，右側(cè)是真正的魔鬼魚
這個不尋常的概念被Wyss研究員Sung-Jin Park接受，并迅速成為哈佛大學應用科學與工程學院疾病生物物理學組研究人員的一個新的研究項目，牽涉其中的還有來自伊利諾伊大學、密歇根大學和斯坦福大學醫(yī)學中心的研究人員。它是如何工作的？簡單地說，這條小小的魔鬼魚結(jié)合工程、細胞培養(yǎng)、遺傳學和生物力學等領域的最新科技進展于一體，其重量只有10克，其骨架是用非常薄的黃金3D打印而成的，上面還鋪了兩層薄薄的彈性聚合物。該聚合物上面覆蓋了大約20萬個活的心肌細胞，這些細胞取自大鼠的心肌。
為了控制細胞，團隊使用了光遺傳學技術，這是一種神經(jīng)科學研究的常用方法，即用光來打開和關閉神經(jīng)。神經(jīng)元或心臟肌肉并不會自動對光產(chǎn)生反應，但通過光遺傳學，可以通過一段DNA對細胞進行升級。這段特殊的DNA編碼代表了一種可以對光產(chǎn)生反應的蛋白，從而使細胞呈現(xiàn)光敏感性。如今，當光線爆發(fā)時，經(jīng)過基因修改的細胞收縮，然后推動鰭向下滑動，當細胞放松時，該人造魔鬼魚的骨架會將鰭收回來。結(jié)果就是這樣一個根據(jù)光線波動來游泳的魔鬼魚機器人。Parker教授指出，在這個設計中，細胞起到了傳感器和致動器的作用，這既有好處也有缺點：雖然活的肌肉細胞比合成的致動器更節(jié)能，但它們也很容易受傷害。為了保持其活力，它們需要浸泡在帶糖和鹽的溫暖溶液里。
在每個鰭上加上一個光源，使研究人員能夠分別刺激右側(cè)或左側(cè)的鰭，并操縱這個生物機器人向任意方向移動。不同頻率的光可以控制鰭的速度，進而改變魔鬼魚的速度。在這個研究中，Park將其對于水生生物的興趣與他想要了解心臟及其解剖結(jié)構的各個方面是如何幫助血液在體內(nèi)移動的需要結(jié)合了起來。泵送和液體運動是海洋里的生命形式都非常擅長的東西，他說。盡管可能還要好幾年Parker才能夠打造出真正的人造心臟，不過這條幾乎活生生的3D打印鰩魚肯定是其朝著正確方向邁出的非常重要一步。
人類功能性肝細胞組織3D打印“大獲成功”
最近，生物打印領域不斷的“透露”出好消息：從零重力3D打印心臟結(jié)構到基于細胞的生物打印機的成功測試，以及納米纖維生物打印技術在面部整容領域的成功應用等。這些實例都充分證明了一個事實：生物3D打印技術能夠為人類創(chuàng)造不可估量的價值！近日，由羅氏制藥和Organovo公司最近合作進行的一個內(nèi)部研究顯示：3D生物打印的人類肝臟組織在人類雙細胞以及多細胞器官領域擁有廣泛的潛力。因此，利用3D生物打印技術創(chuàng)造的人類混合型胚胎干細胞能夠真正減少人類對定向藥物的異常反應。
據(jù)了解，在生物學研究領域中，人們過去都是將一種或多種細胞局限于一個狹小的二維平面環(huán)境中進行培養(yǎng)。雖然這種方法最終也能夠令細胞形成組織結(jié)構，但這種結(jié)構最終達到的厚度也只能是幾個細胞直徑那么多。而如今，生物3D打印技術改變了這一切，它令傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)技術更上一層樓。現(xiàn)在，生物學研究者們可以在三維的環(huán)境當中進行細胞的定向培育，而且可以達到想要的各種厚度。
在羅氏制藥和Organovo公司進行的這個實驗中，3D生物打印技術為細胞組織的生長提供了一個完美的三維環(huán)境，令其能夠在各個方向上進行定向分裂，為之后的生物組織和細胞化學數(shù)據(jù)評估奠定了基礎。換言之，利用各類人體肝細胞在三維環(huán)境中進行體外實驗，將有助于科學家們更加方便的去調(diào)查并分析人類的組織病理學和生物化學數(shù)據(jù)，為進一步深入研究人體組織創(chuàng)造條件，而且這比真正進行復雜的人體實驗要容易得多，成本也大幅降低。
在該實驗中，這些3D打印的肝細胞組織當中主要含有肝實質(zhì)細胞，肝臟星形細胞以及人體臍靜脈內(nèi)皮細胞等各種類型的肝細胞。由于Organovo公司將它們長期放在低溫條件下冷凍保存，因此它們一直保持著細胞活性。而另一些材料就是高濃度的生物油墨，成分主要是100%凝膠質(zhì)的組織實質(zhì)細胞。肝組織的形成過程主要是通過3D打印來實現(xiàn)，研究人員們首先將活性細胞與生物油墨的混合材料輸入生物打印機，然后在三維的培養(yǎng)皿環(huán)境下進行精準的打印塑形，最終形成他們想要的立體組織結(jié)構。在這個案例中，整個肝組織并非完全復制了人體天然的肝小葉結(jié)構。而且由于細胞材料的多樣性，最終形成的3D肝臟組織結(jié)構能夠在肝臟特殊的功能性用途中充當關鍵角色。
通過這個實驗，不僅證明了生物打印的組織在成型的過程中能夠充當組織實質(zhì)細胞或非組織實質(zhì)細胞兩種不同的功能性角色，而且這些形成的組織通過時間的推移將會逐漸凝結(jié)并塑形，最終形成穩(wěn)定，高細胞濃度并且不會壞死的3D活性組織結(jié)構。另一項令人震驚的發(fā)現(xiàn)是，在活性肝細胞中的兩大重要組成部分--脂類和肝糖原，在利用3D打印形成的成熟肝組織當中的存量并沒有發(fā)生多少改變。而且在特異性染色細胞的比例方面，3D打印的肝組織與正常人體肝組織也十分相似。除此之外，為了試驗3D打印的活性肝組織的毒性處理能力，研究人員們使用了相對沒有太大毒性的藥物進行了各種類型的毒性環(huán)境測試，并證明了3D打印的活性肝組織具有一定的毒性處理能力，這證明了3D打印的生物肝組織能夠在臨床毒性研究領域發(fā)揮重要價值。對于生物細胞3D打印的研究遠不止如此，相信隨著技術的不斷進步，3D生物打印技術能夠越來越體現(xiàn)出其巨大的潛力并逐漸開啟未來的細胞組織生物學研究的大門。
(責任編輯：admin)
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