新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員正在使用計算建模技術(shù)來推進基于微流體的 3D 生物打印，他們希望有一天能夠制造出整個人體器官。當(dāng)今許多最先進的生物打印機都基于擠出工藝，通過噴嘴沉積生物墨水以創(chuàng)建尺寸約為 200 微米的組織結(jié)構(gòu)。

相反，基于微流體的生物打印機將通過通過微小通道精確操縱液體來運行，并且可以打印尺寸僅為數(shù)十微米的結(jié)構(gòu)。這更類似于單細(xì)胞規(guī)模，據(jù)報道，如果我們想讓 3D 打印器官成為現(xiàn)實，這就是所需要的。領(lǐng)導(dǎo)這項工作的史蒂文斯謝弗工程與科學(xué)學(xué)院副教授 Robert Chang 解釋說：“規(guī)模非常重要，因為它會影響器官的生物學(xué)。我們在人類細(xì)胞的規(guī)模上運作，這讓我們能夠打印出模仿我們試圖復(fù)制的生物特征的結(jié)構(gòu)?！?/span>

一位使用 CELLINK 3D 生物打印機的科學(xué)家。BICO 的 Bio X 3D 生物打印機，一種基于擠壓的系統(tǒng)。通過 BICO 照片。

邁向人體器官移植

對于患有嚴(yán)重疾病的人來說，器官移植可以挽救生命，但一直缺乏合適的捐贈者。在美國，目前有超過 100,000 名患者在等待移植名單上，每天約有 17 人在等待捐贈者時死亡。長期以來，3D 生物打印技術(shù)一直被認(rèn)為是該問題的潛在解決方案，但缺乏技術(shù)發(fā)展意味著我們還沒有完全做到這一點。就目前而言，生物打印機擅長制造簡單的單細(xì)胞組織和結(jié)構(gòu)，但 Chang 和他的團隊認(rèn)為，微流體技術(shù)可能是設(shè)計幾乎任何類型的復(fù)雜組織的關(guān)鍵。這包括整個重要器官，甚至直接印在開放性傷口上的皮膚。

“在不需要人類捐贈者的情況下創(chuàng)造新的器官來訂購和挽救生命，這將對醫(yī)療保健帶來巨大的好處，”Chang 說。 “然而，實現(xiàn)這一目標(biāo)很棘手，因為使用生物墨水（充滿培養(yǎng)細(xì)胞的水凝膠）打印器官需要對打印的微纖維的幾何形狀和尺寸進行一定程度的精細(xì)控制，而目前的 3D 打印機根本無法實現(xiàn)?！?/span>

除了允許更小的規(guī)模外，基于微流體的工藝還將與多種生物墨水兼容。這些生物墨水中的每一種都可能包含不同細(xì)胞類型的前體，因此用戶可以將它們組合在一個打印的組織結(jié)構(gòu)中。這對于肝臟和腎臟等復(fù)雜器官至關(guān)重要，因為它們依賴于多種細(xì)胞類型協(xié)同工作。

計算建模 3D 生物打印

將 3D 生物打印過程縮小到幾十微米并非易事，需要研究各種參數(shù)（如流速、通道結(jié)構(gòu)和流體動力學(xué)）如何影響打印組織結(jié)構(gòu)的特性。為此，Chang 和他的團隊開發(fā)了一個微流體打印頭的計算模型。該模型允許他們微調(diào)參數(shù)并預(yù)測它們可能如何影響過程，而無需進行繁瑣的物理實驗。該研究的第一作者 Ahmadreza Zaeri 表示：“我們的計算模型推進了一種公式提取，可用于預(yù)測從微流體通道中擠出的制造結(jié)構(gòu)的各種幾何參數(shù)。”

通過模擬現(xiàn)實世界實驗的結(jié)果，該團隊現(xiàn)在可以更好地了解如何打印各種器官結(jié)構(gòu)。結(jié)果將用于開發(fā)多細(xì)胞型生物墨水。 Chang 還致力于將微流體生物打印技術(shù)用于直接在傷口上制造皮膚。

建模微流控打印頭的示意圖設(shè)計和數(shù)值建模參數(shù)，圖片來自 Stevens IoT。

魔猴網(wǎng)點評：這當(dāng)然不是微流控技術(shù)第一次成為增材制造領(lǐng)域的頭條新聞。今年早些時候，總部位于北卡羅來納州的醫(yī)療 3D 打印初創(chuàng)公司 Phase Inc 與弗吉尼亞理工大學(xué)合作推進微流體 3D 打印領(lǐng)域。 Phase 和 Virginia Tech 將共同使用前者專有的 LE3D 打印技術(shù)開發(fā)新型微流體設(shè)備，幫助研究人員針對腦癌等疾病制定新的和改進的醫(yī)學(xué)治療方法。

在其他地方，布里斯托大學(xué)的研究人員此前開發(fā)了一種新穎、低成本和開源的 3D 打印工藝，用于生產(chǎn)微流控設(shè)備。 只需要簡單的家用設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的桌面 3D 打印機，并且已經(jīng)在免費使用的軟件中開發(fā)，研究人員的過程降低了制造微流體的成本和復(fù)雜性，使該領(lǐng)域更容易獲得。

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