哈佛科學(xué)家開發(fā)出藻類生物墨水，以改進(jìn)生物3D打印組織的可行性
時間：2020-11-25 08:20 來源：中國3D打印網(wǎng) 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
中國3D打印網(wǎng)11月25日記訊，哈佛醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)了一種新型的基于藻類的生物墨水，一旦將其3D打印到軟組織結(jié)構(gòu)中，它就會顯示出增強(qiáng)的細(xì)胞活力。該小組通過將光合藻類和人類肝細(xì)胞結(jié)合到水凝膠基質(zhì)中來形成生物墨水，然后將其用于具有逼真的肝臟“小葉”的3D打印六邊形結(jié)構(gòu)。由于藻類具有天然的放氧趨勢，因此生物印染的人類細(xì)胞得以繁殖，顯示增加的功能，并產(chǎn)生肝臟特異性蛋白。
將來，研究人員相信，他們的新生物打印技術(shù)可以應(yīng)用于從藥物開發(fā)和個性化藥物到以藻類為基礎(chǔ)的健康零食等領(lǐng)域。該論文的資深作者Y. Shrike Zhang說：“這項研究是共生組織工程學(xué)以生理學(xué)上有意義的方式結(jié)合植物細(xì)胞和人類細(xì)胞的第一個真實(shí)例子。我們的研究提供了一個獨(dú)特的例子，說明我們?nèi)绾卫米匀唤缰谐Ｒ姷墓采呗詠碓鰪?qiáng)我們對人體功能組織進(jìn)行工程改造的能力。”
研究小組的六角形生物打印結(jié)構(gòu)（如圖所示）被證明能夠在7天內(nèi)支撐92％的細(xì)胞。照片由《物質(zhì)問題》雜志提供。
對生物3D打印組織的迫切需求
器官捐獻(xiàn)者短缺仍然是世界范圍內(nèi)的重大問題，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，目前僅滿足大約10％的移植需求。因此，開發(fā)人工替代產(chǎn)品的緊迫性越來越高，近年來3D生物打印已在這一領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。盡管研究人員采取了不同的方法，但最終形成的充滿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)通常缺乏使它們在最終使用場景中有用的細(xì)胞生存力。例如，華盛頓州立大學(xué)（WSU）的科學(xué)家還創(chuàng)造了一種天然增強(qiáng)的水凝膠，但尚未準(zhǔn)備好用于醫(yī)療用途。
細(xì)胞活力很大程度上取決于它們的氧氣暴露水平，并且證明氧的均勻分布有助于細(xì)胞生長。然而，由于破壞性副產(chǎn)物和不一致的釋放曲線，先前嘗試使用分配氧的生物材料充氧充滿細(xì)胞的水凝膠的嘗試已經(jīng)停止。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，為了克服這些限制，研究小組調(diào)整了德累斯頓工業(yè)大學(xué)開發(fā)的富含藻類的水凝膠，使其包含更高的纖維素濃度。天然聚合物不僅為科學(xué)家的水凝膠提供了完整性，而且最終證明了能夠充實(shí)他們進(jìn)行3D打印的組織的能力。
科學(xué)家希望他們結(jié)合的3D打印和交聯(lián)方法（如圖所示）將構(gòu)成具有增強(qiáng)的細(xì)胞活力的組織支架的基礎(chǔ)。圖片來自《物質(zhì)問題》雜志。
哈佛團(tuán)隊的藻類水凝膠
該團(tuán)隊通過將羧甲基纖維素與明膠，PVA和藻酸鹽結(jié)合在一起，并調(diào)整每一種的量來優(yōu)化墨水的粘度，從而創(chuàng)建了他們的水凝膠。一旦團(tuán)隊確定了理想的混合物，他們便用它來3D打印一系列蜂窩結(jié)構(gòu)，每個蜂窩結(jié)構(gòu)包含七個六角形小葉。
在打印過程中，研究人員創(chuàng)建了一系列六層，十層和二十層的薄紙，這些薄紙形成了3D管狀網(wǎng)格狀圖案。然后，科學(xué)家將不同含量的萊茵衣藻光合作用藻類和10％的胎牛血清混合到添加劑構(gòu)建物中，并觀察到令人鼓舞的結(jié)果。經(jīng)過生物印刷的藻類以光合作用的方式釋放氧氣，從而增強(qiáng)了肝細(xì)胞的活力和功能，而不會影響生物油墨的可印刷性。此外，在最后一步中，研究小組添加了纖維素酶以溶解其生物墨水，并發(fā)現(xiàn)它留下了挖空的微通道。
將來，研究人員相信，他們的新生物打印技術(shù)可以應(yīng)用于從藥物開發(fā)和個性化藥物到以藻類為基礎(chǔ)的健康零食等領(lǐng)域。該論文的資深作者Y. Shrike Zhang說：“這項研究是共生組織工程學(xué)以生理學(xué)上有意義的方式結(jié)合植物細(xì)胞和人類細(xì)胞的第一個真實(shí)例子。我們的研究提供了一個獨(dú)特的例子，說明我們?nèi)绾卫米匀唤缰谐Ｒ姷墓采呗詠碓鰪?qiáng)我們對人體功能組織進(jìn)行工程改造的能力。”
研究小組的六角形生物打印結(jié)構(gòu)（如圖所示）被證明能夠在7天內(nèi)支撐92％的細(xì)胞。照片由《物質(zhì)問題》雜志提供。
對生物3D打印組織的迫切需求
器官捐獻(xiàn)者短缺仍然是世界范圍內(nèi)的重大問題，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，目前僅滿足大約10％的移植需求。因此，開發(fā)人工替代產(chǎn)品的緊迫性越來越高，近年來3D生物打印已在這一領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。盡管研究人員采取了不同的方法，但最終形成的充滿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)通常缺乏使它們在最終使用場景中有用的細(xì)胞生存力。例如，華盛頓州立大學(xué)（WSU）的科學(xué)家還創(chuàng)造了一種天然增強(qiáng)的水凝膠，但尚未準(zhǔn)備好用于醫(yī)療用途。
細(xì)胞活力很大程度上取決于它們的氧氣暴露水平，并且證明氧的均勻分布有助于細(xì)胞生長。然而，由于破壞性副產(chǎn)物和不一致的釋放曲線，先前嘗試使用分配氧的生物材料充氧充滿細(xì)胞的水凝膠的嘗試已經(jīng)停止。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，為了克服這些限制，研究小組調(diào)整了德累斯頓工業(yè)大學(xué)開發(fā)的富含藻類的水凝膠，使其包含更高的纖維素濃度。天然聚合物不僅為科學(xué)家的水凝膠提供了完整性，而且最終證明了能夠充實(shí)他們進(jìn)行3D打印的組織的能力。
科學(xué)家希望他們結(jié)合的3D打印和交聯(lián)方法（如圖所示）將構(gòu)成具有增強(qiáng)的細(xì)胞活力的組織支架的基礎(chǔ)。圖片來自《物質(zhì)問題》雜志。
哈佛團(tuán)隊的藻類水凝膠
該團(tuán)隊通過將羧甲基纖維素與明膠，PVA和藻酸鹽結(jié)合在一起，并調(diào)整每一種的量來優(yōu)化墨水的粘度，從而創(chuàng)建了他們的水凝膠。一旦團(tuán)隊確定了理想的混合物，他們便用它來3D打印一系列蜂窩結(jié)構(gòu)，每個蜂窩結(jié)構(gòu)包含七個六角形小葉。
在打印過程中，研究人員創(chuàng)建了一系列六層，十層和二十層的薄紙，這些薄紙形成了3D管狀網(wǎng)格狀圖案。然后，科學(xué)家將不同含量的萊茵衣藻光合作用藻類和10％的胎牛血清混合到添加劑構(gòu)建物中，并觀察到令人鼓舞的結(jié)果。經(jīng)過生物印刷的藻類以光合作用的方式釋放氧氣，從而增強(qiáng)了肝細(xì)胞的活力和功能，而不會影響生物油墨的可印刷性。此外，在最后一步中，研究小組添加了纖維素酶以溶解其生物墨水，并發(fā)現(xiàn)它留下了挖空的微通道。
用人類血管細(xì)胞填充這些腔室，使科學(xué)家能夠創(chuàng)建肝樣組織，這些組織表現(xiàn)出良好的細(xì)胞生長并產(chǎn)生天然蛋白質(zhì)。不包含藻類注入的細(xì)胞結(jié)構(gòu)僅能顯示70％的存活率，而包含藻類注入的細(xì)胞結(jié)構(gòu)則能顯示高達(dá)92％的存活率。Zhang總結(jié)說：“以前沒有報道過這樣一種逃逸的生物墨水的開發(fā)，該墨水可以在單個組織構(gòu)建物中進(jìn)行初始的氧合和隨后的血管形成。這是成功完成有活力和功能性組織工程的關(guān)鍵一步。”
使用藻類的好處
藻類不僅對人體健康，而且在減少溫室氣體排放方面也起著一定的作用，其綠色素養(yǎng)日益使它成為3D打印相關(guān)研究的主題。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和西班牙瓦倫西亞大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)部署了海藻藻類，以3D打印各種健康谷物小吃。研究小組認(rèn)為，他們可以自定義藻類食品的形狀，質(zhì)地和顏色，以使其更具吸引力。
在其他地方，來自劍橋大學(xué)和圣地亞哥大學(xué)圣地亞哥分校的聯(lián)合團(tuán)隊擁有3D生物打印的模仿珊瑚的結(jié)構(gòu)，能夠生長微藻類。通過微調(diào)藻類的培養(yǎng)，科學(xué)家旨在開發(fā)一種減少發(fā)展中國家溫室氣體排放的方法。
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