浙江大學(xué)研發(fā)“黑科技”，讓3D打印迷你器官不再是夢！

自3D打印技術(shù)面世以來，在科學(xué)家魔術(shù)般的雙手里不斷推陳出新，據(jù)南極熊了解，近日，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組發(fā)明了一種新型生物3D打印方法。該方法能夠操控不同種類的細(xì)胞形機(jī)械成特定結(jié)構(gòu)的微球，進(jìn)而長成具有生物活性的微組織，將為體外重建類器官，為開發(fā)更為高效的器官芯片、實施更有效的細(xì)胞治療等提供有效路徑。

相關(guān)論文Airflow‐Assisted 3D Bioprinting of Human Heterogeneous Microspheroidal Organoids with Microfluidic Nozzle近日作為封底論文刊登在WILLY旗下的SMALL雜志上。通訊作者為賀永教授、機(jī)械工程學(xué)院的傅建中教授和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院的歐陽宏偉教授。

挑戰(zhàn)——活性生物組織結(jié)構(gòu)剖析
如果有一天，人類能夠自由制造人體“零件”，更換器官就像更換電池一樣方便，器官移植的來源就不再成為問題。但要真正實現(xiàn)活體器官的3D打印，路途還是有點遠(yuǎn)。在3D打印的“初級階段”，人類已經(jīng)能夠精準(zhǔn)地打印牙齒、骨骼等組織結(jié)構(gòu)相對簡單的零部件，并應(yīng)用于臨床。顱骨損傷的病人，也可以通過3D打印頭蓋骨實現(xiàn)整形。如果要把打印目標(biāo)擴(kuò)展到人體所有“零件“，挑戰(zhàn)就大多了。

首先，你要保證人造器官能夠適應(yīng)人體的力學(xué)環(huán)境，不能太硬、太軟或者塌陷；其次，器官要能夠存活并發(fā)揮特定的功能。比如，盡管3D打印的心臟“模型”已經(jīng)很多，但至今沒有一個真正的3D打印心臟能夠成功植入生物體。“我們試試能否先實現(xiàn)一個小目標(biāo)，打印生物活性的微組織?！辟R永說。

天然的生物組織比我們想象的復(fù)雜。比如血管是由成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。平滑肌維持了血管的彈性，內(nèi)皮細(xì)胞分泌生長因子防止血液凝固?！叭绻蛴　?，就需要將不同的細(xì)胞打印到一起，形成特定的結(jié)構(gòu)?！辟R永說。三年前，課題組開始了嘗試。

靠一股氣，螺螄殼里做道場
科學(xué)家將不同的細(xì)胞分別用水凝膠包裹制成“生物墨水”，在一個微流控芯片噴頭的控制下，一點點“吐”出多組分細(xì)胞微滴。

“用這臺機(jī)器，我們‘打’出了血管化的骨組織?！辟R永說，他們第一次用兩種分別混合了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的“生物墨水”，同步打印出了帶螺旋形的微球。其中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可定向分化為成骨細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞會形成血管化細(xì)胞。經(jīng)過幾天實驗室培養(yǎng)，呈螺旋形血管化的成骨類器官就形成了。

用這種方法，實驗室還做出了玫瑰花、帶螺旋的微球、太極等造型的顆粒，直徑在200微米左右。總之，可以操縱細(xì)胞任意形成特定的“隊形”。

“生物墨水”的組分之一水凝膠是有名的“軟”物質(zhì)，要對這么軟的材料進(jìn)行精準(zhǔn)操控，是一項頗為艱巨的挑戰(zhàn)。課題組用一陣“風(fēng)”巧妙解決這個難題：在一股微氣流的吹動下，噴頭吐出的液滴不會馬上落下，而是會旋轉(zhuǎn)起來，此時再根據(jù)數(shù)學(xué)建模控制不同組分生物墨水下降的方向，就能形成精致的立體結(jié)構(gòu)。這個過程，有點像我們在轉(zhuǎn)動的蛋糕模具上裱花，讓不同細(xì)胞形成特定的立體“編隊”。

“這一技術(shù)的精度可以達(dá)到單細(xì)胞分辨率”賀永說，與現(xiàn)有生物制造方法相比，其特點是首次實現(xiàn)了在微小空間內(nèi)三維結(jié)構(gòu)的可控成型，為體外重建復(fù)雜類器官提供了新思路。

有望應(yīng)用于器官芯片、細(xì)胞治療
“我們可以構(gòu)造出具有活性的迷你生物組織，用于藥物篩選的器官芯片”，賀永說，另一個用途是細(xì)胞治療。當(dāng)前細(xì)胞治療的一大難點在于直接注射的細(xì)胞容易被自身的免疫細(xì)胞吞噬，因此只對某些特定的疾病有效?！拔覀兓蛟S能可以打印出具有特定功能的細(xì)胞微球，細(xì)胞抱團(tuán)在血管中行進(jìn)，就不怕被吃掉，而且一到目的地可以馬上發(fā)揮作用?！辟R永說。

浙大一位從事生物學(xué)研究的教授認(rèn)為，這項研究在醫(yī)學(xué)上很有意義：目前人類的技術(shù)已經(jīng)可以通過干細(xì)胞培養(yǎng)出各種類型的細(xì)胞，但接下來，我們還需要讓這些細(xì)胞形成特定的組織結(jié)構(gòu)?！吧矬w內(nèi)的細(xì)胞與細(xì)胞之間有豐富多樣的連接方式，它們并不是‘一鍋粥’，因此，怎樣讓細(xì)胞形成不同的層次，組織、甚至器官，是一項非常重要的課題?！?br />
來源：浙江大學(xué)