Stevens開發微流體打印計算模型，為3D打印生物器官開辟新道路
時間：2022-04-15 11:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀，人體器官移植為重病患者提供了一條至關重要的生命線，但可供移植的器官太少：僅在美國，目前就有超過112000人在等待器官移植。3D打印器官是其未來發展的重要方向之一。但它的發展充滿了復雜性和技術障礙，限制了可以打印的器官類型。
2022年4月14日，Stevens Institute理工學院的研究人員正在通過開發數據分析模型來克服這些障礙。這項工作由史蒂文斯謝弗工程與科學學院機械工程系副教授 Robert Chang 領導，他宣稱通過他們的數據分析計算，可以為3D打印制造出任何類型的器官開辟新途徑，甚至直接在開放性傷口上打印皮膚。“在不需要人類捐贈者的情況下，創造新的器官來挽救生命，將對生物醫療發展帶來巨大的好處，”Robert Chang說，他的學術研究已發表在4月的《科學報告》雜志上。“為了達到這個目標是很棘手的，因為使用生物墨水打印器官，需要對打印的超細纖維形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，這是目前3D打印機暫時無法實現的。”
Chang和他的團隊，希望通過一種新的3D打印工藝來實現，該工藝使用微流體，通過微小通道精確操縱液體，對比現有的技術可實現更為精細的操作。“他們的這項研究旨在通過提高微流體生物打印技術，實現制造微組織和微纖維結構，同時具備可控及可預測性，”Zaeri說。目前大多數3D生物打印機都是基于擠壓工藝，從噴嘴中噴出的生物墨水大約為200微米——大約是意大利面條的十分之一寬。基于微流體可以打印出同單細胞等同大小的生物對象（僅有十微米）。
除了更加精細的操作，將微流控打印頭結合到生物打印中。微流體還可以使用多種生物墨水（每種包含不同的細胞和組織前體），可在單個打印結構中互換使用，這與傳統打印機將彩色墨水組合成單個圖像的方式非常相似。
這點非常重要，雖然研究人員已經通過在3D打印支架上來創建簡單的器官，如膀胱，但更復雜的器官，如肝臟和腎臟，需要精確組合許多不同的細胞類型。如“需要更精細的操作，同時精確混合生物墨水，才能復制出任何類型的組織，”Chang 說。
為實現以上3D生物打印，需要準確的了解不同的工藝參數（如通道結構、流速和流體動力學），它們是如何影響打印的生物結構的幾何形狀和材料特性。為了簡化這一過程，Chang的團隊的數據模型能夠預測結果，而無需進行額外的人工實驗。Zaeri說。Chang正在使用基于微流體的打印頭的設計和數值評估，以實現受控的微纖維擠出，用于生物打印功能分級的組織結構。這項研究工作的結果可用于打印組合的多種細胞類型的生物墨水，這種生物墨水還可以復制具有梯度幾何和組成特性的組織（骨骼和肌肉的交叉點）。
Chang還在探索使用微流體3D打印技術實現原位生成皮膚和其他組織，使患者能夠將替代皮膚組織直接打印到傷口上。他說:“這項技術還處于起步階段，我們還不知道它還能實現什么。”但我們知道，該項技術非常重要，為未來3D生物醫療發展奠定基礎。
△基于微流控的生物打印系統，( a ) 微流控打印頭的通道系統設計，( b ) 整個生物打印系統的設置。圖片來自Stevens Institute
2022年4月14日，Stevens Institute理工學院的研究人員正在通過開發數據分析模型來克服這些障礙。這項工作由史蒂文斯謝弗工程與科學學院機械工程系副教授 Robert Chang 領導，他宣稱通過他們的數據分析計算，可以為3D打印制造出任何類型的器官開辟新途徑，甚至直接在開放性傷口上打印皮膚。“在不需要人類捐贈者的情況下，創造新的器官來挽救生命，將對生物醫療發展帶來巨大的好處，”Robert Chang說，他的學術研究已發表在4月的《科學報告》雜志上。“為了達到這個目標是很棘手的，因為使用生物墨水打印器官，需要對打印的超細纖維形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，這是目前3D打印機暫時無法實現的。”
Chang和他的團隊，希望通過一種新的3D打印工藝來實現，該工藝使用微流體，通過微小通道精確操縱液體，對比現有的技術可實現更為精細的操作。“他們的這項研究旨在通過提高微流體生物打印技術，實現制造微組織和微纖維結構，同時具備可控及可預測性，”Zaeri說。目前大多數3D生物打印機都是基于擠壓工藝，從噴嘴中噴出的生物墨水大約為200微米——大約是意大利面條的十分之一寬。基于微流體可以打印出同單細胞等同大小的生物對象（僅有十微米）。
△3D生物打印示意圖。圖片來自Google
除了更加精細的操作，將微流控打印頭結合到生物打印中。微流體還可以使用多種生物墨水（每種包含不同的細胞和組織前體），可在單個打印結構中互換使用，這與傳統打印機將彩色墨水組合成單個圖像的方式非常相似。
這點非常重要，雖然研究人員已經通過在3D打印支架上來創建簡單的器官，如膀胱，但更復雜的器官，如肝臟和腎臟，需要精確組合許多不同的細胞類型。如“需要更精細的操作，同時精確混合生物墨水，才能復制出任何類型的組織，”Chang 說。
△海藻酸鈣的液滴形成和微滴頻率預測。圖片來自Stevens Institute
為實現以上3D生物打印，需要準確的了解不同的工藝參數（如通道結構、流速和流體動力學），它們是如何影響打印的生物結構的幾何形狀和材料特性。為了簡化這一過程，Chang的團隊的數據模型能夠預測結果，而無需進行額外的人工實驗。Zaeri說。Chang正在使用基于微流體的打印頭的設計和數值評估，以實現受控的微纖維擠出，用于生物打印功能分級的組織結構。這項研究工作的結果可用于打印組合的多種細胞類型的生物墨水，這種生物墨水還可以復制具有梯度幾何和組成特性的組織（骨骼和肌肉的交叉點）。
Chang還在探索使用微流體3D打印技術實現原位生成皮膚和其他組織，使患者能夠將替代皮膚組織直接打印到傷口上。他說:“這項技術還處于起步階段，我們還不知道它還能實現什么。”但我們知道，該項技術非常重要，為未來3D生物醫療發展奠定基礎。
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