哈佛教授研發(fā)冷凍生物打印讓生物組織儲存較長時間

生物3D打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，越來越受到生物技術(shù)專家等的青睞。其打印機(jī)理通常是是通過逐層堆積的方式來構(gòu)建復(fù)雜的實(shí)體生物組織。該技術(shù)因設(shè)計(jì)靈活、個性化定制等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

提到生物打印，和日常打印類似，也需要打印“墨水”，但是這里的墨水來源于活性細(xì)胞和生物材料。我們知道，細(xì)胞的生存需要一定的微環(huán)境，因此，這里存放的“生物墨水”就需要設(shè)計(jì)出便于生物打印和儲存期間有效保存細(xì)胞的組件。

而隨著新材料和微納米技術(shù)的發(fā)展，這種組件的設(shè)計(jì)擁有了更加靈活和多樣的性能，以至于細(xì)胞在更加極端惡例的環(huán)境下依然能夠生存，其中最引人注目的技術(shù)之一就是低溫生物打印技術(shù)。

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院張宇教授專注于創(chuàng)新生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，包括生物3D打印、器官芯片、微流控、生物分析等，以重建功能化組織及其仿生模型。其課題組在多本期刊上發(fā)表論文260余篇。

近日，張宇教授團(tuán)隊(duì)在Matter報(bào)道了一種非常規(guī)的生物打印技術(shù)， 稱為冷凍生物打印，利用生物打印和低溫保存方法協(xié)同，通過使用新型打印裝置和生物墨水，打印的生物組織可以被儲存較長時間，并在需要時進(jìn)行解凍/交聯(lián)以及復(fù)蘇后的培養(yǎng)和使用。該技術(shù)的研發(fā)有望擴(kuò)展生物打印的應(yīng)用，如可儲存的生物組織和組織模型，以便可以隨時運(yùn)送到所需的地點(diǎn)。該研究成果以“Freeformcell-laden cryobioprinting for shelf-ready tissuefabrication and storage”為題。

生物在3D打印的組織結(jié)構(gòu)的制作和存儲方面存在挑戰(zhàn)。一方面，大多數(shù)生物打印技術(shù)，如廣泛使用的擠出式生物打印，它們的缺點(diǎn)是較為復(fù)雜的打印過程，因此該制造技術(shù)在許多環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，由于缺乏長期儲存細(xì)胞的功能性設(shè)計(jì)，所以預(yù)先打印的生物組織產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)較高的現(xiàn)貨率。

結(jié)合先進(jìn)生物制造技術(shù)和儲存方法（如生物打印和低溫保存）是解決上述障礙的一個潛在的解決方案。由此，生物打印的組織可以提前在非現(xiàn)場制備，允許在低溫條件下直接存儲，以供以后的實(shí)驗(yàn)室或臨床使用。但是這種方法存在一個挑戰(zhàn)，那就是要解決冰晶的形成和再結(jié)晶等可能會對所制備組織的細(xì)胞活性產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了解決這個挑戰(zhàn)，生物墨水的設(shè)計(jì)十分重要，以便在生物打印和冷凍儲存/復(fù)蘇期間有效保存細(xì)胞。研究表明，冷凍保護(hù)劑在消除或減少冰晶形成中有關(guān)鍵作用。在沒有冷凍保護(hù)劑的情況下，冰晶會大量快速生長，從而破壞細(xì)胞膜而危害細(xì)胞的生存能力。

二甲基亞砜是一種傳統(tǒng)的冷凍保護(hù)劑，廣泛用于低溫保存，以減少冰晶的形成。此外，分子量較大的冷凍保護(hù)劑可以保護(hù)細(xì)胞免受細(xì)胞外高滲造成的滲透損傷。如各種二糖如蔗糖、海藻糖、乳糖、和麥芽糖，以及三糖如麥芽糖和棉子糖等，都顯示出良好的低溫保護(hù)作用。

此外，軟材料，特別是文中所用的水凝膠材料，其構(gòu)成的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減少冰晶的形成，從而為細(xì)胞提供一個固有的物理低溫保護(hù)微環(huán)境，即含有冷凍保護(hù)劑的細(xì)胞負(fù)載水凝膠支架提供了良好的低溫保存環(huán)境，從而在復(fù)活后具有較高的細(xì)胞活力和細(xì)胞功能。

文中強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)，是一種同時進(jìn)行生物3 D打印和低溫保存細(xì)胞承載組織構(gòu)建的方法。簡單來說，就是通過設(shè)計(jì)一個冷凍板，其在打印過程中可以允許精確的溫度控制，從而在低溫可控條件利用含有冷凍保護(hù)劑和活細(xì)胞的生物墨水打印生物組織。具體如下圖，該裝置里，載細(xì)胞生物墨水在嚴(yán)格控制溫度的冷凍板上進(jìn)行低溫生物打印，并在低溫條件下長期保存。在隨后的培養(yǎng)之前，低溫生物打印的結(jié)構(gòu)可以運(yùn)輸至需要的地點(diǎn)進(jìn)行復(fù)蘇和交聯(lián)，以及隨后的使用。

隨后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)利用間充質(zhì)干細(xì)胞成骨、成脂和成軟骨分化后細(xì)胞的功能性來考察打印后生物組織的存活、增殖和分化能力。有趣的是，該設(shè)計(jì)證明了冷凍生物打印的細(xì)胞載體可以有效保證細(xì)胞的存活率和功能性。除此之外，該研究也核實(shí)了低溫生物打印的組織能夠維持其誘導(dǎo)血管生成的能力，從而說明了此類設(shè)計(jì)沒有對細(xì)胞或者生長因子造成損害。

該研究重要的亮點(diǎn)就是設(shè)計(jì)了一個用于構(gòu)建低溫條件的冷凍板，這是保證細(xì)胞活性微環(huán)境的關(guān)鍵組件，同時，該裝備也會保存細(xì)胞、保證生物打印組織的功能和表面細(xì)胞的生存提供了有效性，為骨組織工程或者細(xì)胞組織模型打開了一個嶄新的創(chuàng)新之路。

基于該研究，人們可以想象，細(xì)胞在此微環(huán)境下能夠生存并且可以通過該設(shè)計(jì)打印特定的生物組織和器官，并保證了組織細(xì)胞的增殖和分化能力，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)可對于任何醫(yī)院，任何一個病人來說，都可以說是福音，因?yàn)樗梢詾榛颊吡可矶ㄖ埔粋€具有活性細(xì)胞載體的組織和器官，并且可以提前制備和儲存以備不時之需，對于提高患者的生存和組織修復(fù)等都是莫大的幫助;當(dāng)然，對于體外組織模型的可轉(zhuǎn)運(yùn)性和現(xiàn)貨率亦有很大的提高。