新型生物3D打印技术以10倍速度创造功能组织，为医学带来重要推动

2024年12月17日

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生物3D打印技术在医学领域正逐渐产生深远影响，由该技术开发出的功能性组织器官，在移植、疾病研究和药物筛选方面具有巨大应用潜力。在引导组织修复与再生方面，生物3D打印能够精准定位细胞空间位置。然而，尽管细胞生物打印技术取得了显著进展，但将细胞包裹于水凝胶生物墨水中的标准方法仍面临重大局限。其中一个主要挑战是如何实现与生理状态相关的细胞密度（1亿至5亿细胞/毫升），这对于有效的组织修复与再生至关重要。然而，目前的生物打印技术难以实现原生组织中的高细胞密度。

3D打印技术参考注意到，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种基于细胞球体（细胞群）的生物打印方法，可以精确、快速制造复杂组织，速度比传统技术快十倍。据该团队称，这一突破代表着朝着创建功能性组织和器官迈出了决定性的一步，为再生医学开辟了新的可能性。相关研究以“High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication”为题，于11月发表在自然通讯。

细胞密度对于创建功能性组织非常重要。因此，球状体提供了一种替代方案，它们的细胞密度接近人体组织。但是，尽管3D打印球状体似乎是实现这种密度的有效解决方案，但研究人员遇到了困难。当前的技术通常会在打印过程中损坏细胞，从而降低其活力。

为了解决这个问题，该团队开发了一种名为HITS-Bio（用于生物打印的高通量集成组织制造系统）的新方法。该系统使用喷嘴阵列同时操纵多个球体，通过将喷嘴排列成4×4网格，可以快速准确拾取16个球体并将其精确沉积在生物墨水基底上。研究人员解释，“它比现有技术快10倍，并且保持了90%以上的高细胞活力。”

HITS-Bio工艺示意图

HITS-Bio技术在多个应用中展现了其效用。在大鼠模型颅骨缺损（约30mm³）再生治疗中，由于使用这种技术实现了高剂量的细胞输送，因此实际上加快了骨骼修复速度。三周后，伤口愈合率达到91%，六周后愈合率达到96%。此外，该技术还成功制造了包含约600个成软骨球体的可扩展软骨结构，凸显了其高通量效率（每个结构制造时间不到40分钟）以及修复体积缺损的潜力。