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器官芯片生物打印机

期刊综述    2021-09-18 15:24

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研究背景

➣从跳动的心脏到会呼吸的肺,人体器官芯片(Human organs-on-a-chip)已经成为人类生物学研究中最热门的新兴工具之一。

➣“心脏芯片”“肺芯片”“肝脏芯片”“血管芯片”“肠芯片”……科学家尝试用生物打印技术在小小的芯片上构建一个个简化的人体器官。

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图1.用于制造芯片上器官模型。

 

主要内容

1. 本文综述了基于喷嘴和基于光学的两类生物晶体的制备方法,并讨论了它们的制备参数,如分辨率、复制保真度、制备时间以及用于微组织模型和微流体的成本。

2.  生物打印机的使用显示了功能工程组织模型的成功复制,并集成在所需的微流控系统中,这有助于观察模型的新陈代谢或分泌,以及对动态环境的复杂控制。

3. 在模仿生理条件方面提供更广泛的组织工程制造顺序,以增强诸如药物开发和病理研究之类的进一步应用。

 

基于喷嘴的生物打印技术

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图2.目前用于制造芯片上器官模型的生物印刷技术。

➣讨论了创建微血管组织构建体的每种技术的局限性,并预测了生物打印技术向有机芯片模型中的流体通道的趋势。

➣引入芯片实验室平台的第一个生物打印技术是喷墨生物打印,它通过使用连接到喷嘴的加热头或压电头将墨滴直接沉积到基材上。

➣在气压或机械载荷下,生物材料和/或细胞以液滴的形式被分配到所需的位置。

 

挤出辅助生物打印

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图3  A)基于喷嘴的生物打印模型的例子:A)制造过程的原理图

➣挤出辅助生物打印是最多功能的过程,可将最广泛的生物墨水粘度用于临床应用的生物打印。

➣Kolesky等人通过共同打印三种不同的细胞和多种墨水,包括Pluronic F-127细丝、装载hmscs的明胶/纤维蛋白细丝和新生真皮成纤维细胞,在修饰的ECM中,连同嵌入的血管系统(图3A),制成了单个组织,然后由人脐静脉内皮细胞(HUVECs)包裹。

➣为了形成致密的成骨组织,灌注含有成骨分化生长因子的培养基。

 

挤出辅助生物打印

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图3 B)肾盂突出弯曲的近端肾小管的示意图;C)含有生物打印细胞的ECM水凝胶芯片;D)无支撑结构生物打印ECM水凝胶结构图像。

➣Homan等人通过将肾近端小管置入ECM中,报道了体外三维人肾近端小管(图3B)。可灌注组织微芯片被保存超过8周。

➣Toprakhisar等人在dECM水凝胶生物墨水的生物打印中建立了一种新的方法,用于微毛细管生物打印(图3C)。

➣挤出辅助在通过牺牲3D打印和直接3D打印技术制造机械稳定的微流控结构方面显示出巨大潜力。 

➣与挤压辅助生物打印相关的广泛材料和低成本使其成为在生物打印微流体平台上进行许多努力的首选。

 

基于光学的生物打印技术

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图4.光辅助生物打印模型的示例:A)基于DLP的生物打印三培养肝脏模型;B)基于SLA的生物打印PEG模型;C)基于DLP的生物打印芯片上肿瘤模型。

➣基于光学的技术通常称为光辅助打印,该技术使用与主题油墨的光相互作用来聚合可光固化的油墨或帮助将油墨从供体平面沉积到基材上。

➣LIFT的基本配置包括一个产生脉冲聚焦光束的激光系统,一个吸收层,在该吸收层上涂覆了一层墨水,以及一个在其上沉积墨水的收集表面(图4A)。

➣激光能量将墨水吸收到透明基材上,并且界面处的光-物质相互作用在照射区域产生了强大的压力。 一小块生物材料像素被喷射到收集基板上。 

➣入射激光光斑的特性控制着转移墨水的最终形状和大小。 这种方法的生物打印分辨率约为50μm,但由于激光源的复杂性和激光器的控制,其成本很高。

 

新方向:4D生物打印

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图5 4D生物打印模型的例子,A) 4D生物制造方案;B)热敏材料;C)水响应性生物打印支架;D)细胞折纸的概念图;E)甲基丙烯酸海藻酸盐管。

➣图5B显示了折叠星形热敏聚合物双分子层。理论(模拟)研究和真实的显微镜图像都表明,这种热响应型水凝胶在降低温度时膨胀变形成囊状结构,并通过升高温度展开并释放被包裹的细胞,这为药物传递应用提供了一种有前景的方法。

➣图5C显示的是一个由花纹钉组成的双层印刷结构,由于水环境中各层膨胀差异的控制,自折叠后导致结构变形。

➣研究人员已经使用变形水凝胶系统来制造非常小的内径管,低至20μm。这可与体内毛细血管相比较,目前还不能通过其他生物印刷方法实现。