DeepTech深科技|中国学者革新3D生物打印，支架孔径达到细胞水平
自 2003 年美国克莱姆森大学团队首次实现了活细胞打印 ， 将 3D 生物打印研究推到前台 ， 科学家已经对该技术的应用前景进行了大胆展望 ， 其中最具野心的预测 ， 就是未来人体器官可以像汽车零配件一样 ， 磨损了可修复 ， 损坏了可替换 。
3D 生物打印 ， 正是提供这些人体“配件”的加工方式 。 它借助 3D 生物打印机 ， 制造出细胞支架 ， 再将细胞种入支架中 ， 使细胞得以生长 ， 并根据需要长成组织或器官 。
但现实往往很“骨感” 。 在实际操作中 ， 现有的生物墨水通常难以快速打印出孔隙大小合适的细胞支架 ， 这直接关系到附着其上的细胞 ， 能否长成适合人体的“配件” 。
如今 ， 一位中国学者领导的团队从材料角度出发 ， 提出了全新的生物打印方式 ， 结合材料的相变特性 ， 制备出高度联通且具有细胞大小孔径的多孔水凝胶 ， 突破了这一难题 。 该成果论文目前已被英国皇家化学学会接收 ， 将在 Materials Horizons 杂志上发表 。
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论文共同通讯作者为加拿大麦吉尔大学李剑宇教授和 Luc Mongeau 教授 ， 第一作者为麦吉尔大学机械工程专业博士生鲍光宇 。 其中 ， 李剑宇曾在 2019 年入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区榜单 。 他向 DeepTech 详细解读了这项最新成果 ， 以及他另一项可能应用更广阔的研究——最聪明的生物材料 。
给细胞打印宜居的“家” 一直以来 ， 3D 生物打印的一大难点 ， 在于如何为细胞提供合适的生存环境、三维物理支撑 。
具体来说 ， 制备生物支架对其中的孔隙大小要求非常高 。 一般的细胞直径约为 10 微米 ， 如果支架的孔径是上百微米 ， 那细胞在支架上面 ， 就和在平面上一样 ， 无法贴合生长 。
另一方面 ， 组织工程一般会采用水凝胶材料作为生物墨水 ， 而水凝胶的孔隙又特别小 。 材料中的高分子链纠缠在一起 ， 会形成非常多的孔隙 ， 就像海绵一样 ， 只不过水凝胶的孔隙尺寸一般在 10~100 纳米之间 。
【DeepTech深科技|中国学者革新3D生物打印，支架孔径达到细胞水平】
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如果把细胞放到水凝胶材料当中 ， 直径 10 微米左右的细胞 ， 就会把支架填充成一个非常致密的材料 。 在这种拥挤的情况下 ， 细胞的生长很多时候都会被束缚 ， 更谈不上实现细胞功能 。
“所以我们希望给细胞构建出一个三维的立体空间 ， 且孔隙的量级和细胞的尺寸相当 ， 即为 10 微米的量级 。 ”李剑宇说 。
他们从材料本身的基础性质的角度提出 ， 利用材料的相变实现材料的孔隙 。
根据论文介绍 ， 李剑宇团队提出了提出了名为响应微孔成型生物打印方法（Triggered Micropore-Forming bioprinting ， 简称 TMF） ， 利用水凝胶刺激响应的微分相行为实现此类生物支架的快速制造 。 为此他们制备出一种由负载细胞的壳聚糖（chitosan）和聚乙二醇（PEG）微酸性水溶液组成的生物墨水 。
其特点在于 ， 在很小的范围内对材料的 pH 值进行调整 ， 材料会自行分相 ， 形成 10 微米级别的孔隙 ， 从而形成了具有细胞支撑的结构 。 同时在 pH 值调整范围内 ， 均不会对细胞的生长产生影响 。
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图 | 使用TMF方法打印生物支架流程
相比之下 ， 传统制备的水凝胶材料的孔隙特别小 ， 仅有 10-100 纳米 ， 这会阻碍细胞的生长 ， 更不要说实现细胞的功能 。 李剑宇表示 ， 这个研究的新意在于 ， 团队利用材料的基本性质 ， 制成了特殊的生物墨水 ， 将其结合到 3D 打印里 ， 就能解决传统 3D 打印方法难以解决的问题 。
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