浙江大學(xué)楊華勇院士團(tuán)隊(duì)綜述噴墨打印技術(shù)在組織工程和制藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

2023-04-07 17:30 睿度光電RUIDU

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噴墨生物3D打印作為開創(chuàng)性的3D生物打印技術(shù)之一，由于其成本低、打印分辨率高、沉積精度高，并且在打印過程中對活細(xì)胞的危害可以忽略不計(jì)的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

介紹

3D生物打印具有通過層層疊加增材制造的方式構(gòu)建所需載活細(xì)胞3D結(jié)構(gòu)的能力。噴墨生物3D打印作為3D生物打印的關(guān)鍵組成部分，利用攜帶細(xì)胞的液滴的沉積制備天然的仿生組織/器官，以期用于修復(fù)或替代人體損傷或病變的組織/器官。盡管噴墨生物3D打印已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域證明了其可行性和通用性，但噴墨生物3D打印機(jī)目前的應(yīng)用仍然受到打印技術(shù)和材料選擇的限制。

▲ 圖1 噴墨打印技術(shù)匯總。

在過去的幾十年里，各種噴墨打印技術(shù)都取得了顯著的進(jìn)步，如圖1所示：根據(jù)液滴的產(chǎn)生和沉積機(jī)制，可分為三類，即連續(xù)噴墨（CIJ）打印、按需噴墨（DOD）打印和電動(dòng)流體動(dòng)力（EHD）噴墨打印。壓電噴墨打印PIJ（MicroFab等）是一種通過壓電陶瓷擠壓墨水產(chǎn)生液滴的按需噴墨打?。―OD）技術(shù)，在液滴形成過程中，噴頭內(nèi)腔會(huì)因壓電陶瓷變形而膨脹或收縮，產(chǎn)生用于生物墨水噴射和液滴形成的壓力脈沖，PIJ生物3D打印的打印性能可以通過優(yōu)化打印參數(shù)來調(diào)節(jié)，例如驅(qū)動(dòng)電壓信號的參數(shù)和生物墨水的材料組成，此外，PIJ生物3D打印機(jī)具有更廣泛的噴頭口徑選擇（5至120μm），并且噴頭清潔易于進(jìn)行。

▲ 圖2 噴墨生物3D打印體外仿生3D組織結(jié)構(gòu)。

據(jù)報(bào)道，噴墨生物3D打印已被廣泛用作各種領(lǐng)域的功能工具，盡管目前的噴墨生物打印結(jié)構(gòu)用于臨床試驗(yàn)仍然具有挑戰(zhàn)性，但噴墨生物3D打印已被廣泛用于體外組織/器官重建以及體內(nèi)組織替代品和高通量藥物篩選模型的形成。Christensen和他的團(tuán)隊(duì)利用MicroFab的噴口直徑120μm的MJ-ABL噴頭及其控制器JetDrive III生成穩(wěn)定生物墨水液滴，每個(gè)液滴都被用作一個(gè)像素來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。Sungjune Jung教授團(tuán)隊(duì)使用MicroFab噴墨生物打印系統(tǒng)Jetlab II，打印四種人類肺泡細(xì)胞系，即I型和II型肺泡細(xì)胞（NCI-H1703和NCI-H441）、肺成纖維細(xì)胞（MRC5）和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞（HULEC-5a），制備了三維仿生肺泡屏障模型。3D體外模型更好地再現(xiàn)了肺組織的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能，可以再現(xiàn)對流感感染的實(shí)際組織水平反應(yīng)，顯示了3D體外模型用于病理和藥物應(yīng)用的巨大潛力，如圖2f所示。

▲ 圖3 噴墨生物3D打印體內(nèi)組織替代品。

噴墨生物打印構(gòu)建體不僅用于體外模型，還被用作體內(nèi)組織修復(fù)，如圖3所示。使用噴墨生物3D打印技術(shù)制造的幾種工程組織/器官已被移植到動(dòng)物體內(nèi)。如骨、軟骨和皮膚等簡單結(jié)構(gòu)已有植入案例，復(fù)雜的組織/器官缺乏足夠的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)完整性未能成功移植，但隨著生物打印技術(shù)越來越成熟，預(yù)計(jì)將有越來越多的工程組織或器官實(shí)現(xiàn)體內(nèi)植入并走向臨床，以完全替代受損組織/器官。

▲ 圖4 高通量藥物篩選模型。

藥物篩選是藥物開發(fā)過程中的一個(gè)重要步驟，噴墨生物3D打印的出現(xiàn)為解決當(dāng)前藥物篩選的困境提供了一種新的解決方案。在藥物篩選中使用噴墨生物3D打印可以顯著提高效率并減少材料消耗。具有非接觸式特點(diǎn)的噴墨生物3D打印提供了一種更有效和準(zhǔn)確的方式來創(chuàng)建化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境，小體積的液滴可以高頻率沉積在預(yù)定位置并且沒有污染。

結(jié)論

據(jù)近年來的研究報(bào)道可知，機(jī)械工程、材料科學(xué)和生物學(xué)專家之間的跨學(xué)科合作對于推動(dòng)噴墨生物3D打印的發(fā)展是必要的。MicroFab噴墨打印技術(shù)也已證明其在組織工程和制藥領(lǐng)域的可行性和多功能性，適用于噴墨生物3D打印材料有限的問題也在逐漸被解決，對多種材料進(jìn)行3D生物打印，將是3D生物打印的未來趨勢，也是3D生物打印走向3D工程組織和器官臨床移植的下一步。

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