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科學家們?nèi)绾卫?D打印技術(shù)打印出具有成熟形態(tài)的機體組織器官?
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科學家們?nèi)绾卫?D打印技術(shù)打印出具有成熟形態(tài)的機體組織器官?

2019-08-19 16:12:32 來源:生物谷 點擊:2707

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使得直接利用細胞和聚合物材料的活性油墨打印器官樣、細胞致密組織的前景更加廣闊,當活性油墨被置于生理條件下時,細胞就會在聚合物基質(zhì)上施加機械力并動態(tài)改變墨水的形狀和機械性質(zhì),為了幫助3D打印在組織工程中的發(fā)展,研究人員就需要對活性墨水的特性進行定量分析理解,以便其一旦被放入培養(yǎng)基中就能夠有效預(yù)測并控制形狀的演變。

 

 

日前,發(fā)表在國際雜志Nature Communications上的研究報告中,研究者Morley等人就提供了關(guān)于活性墨水和其機械性能迄今為止最完整的定量化描述,相關(guān)研究或為后期4D生物打印奠定了一定基礎(chǔ),在4D打印過程中,生物材料會進行一系列形態(tài)發(fā)生步驟來引導(dǎo),比如改變印刷物體的生物學過程,而這些步驟都會匯聚于功能和結(jié)構(gòu)先進的最終形式。

最廣泛使用的3D打印機是一種基于擠壓的設(shè)備,其中墨水被推動通過噴嘴以形成具有特定直徑和幾何形狀的細絲;如今組織工程師已經(jīng)能夠?qū)⒊蔀闈{液的微粒轉(zhuǎn)變成為柔軟的材料,比如3D打印細胞混合物和細胞外基質(zhì)組分(ECM);漿液能夠抑制在重力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)單元的坍塌,在研究中,研究者Morley能利用一種自由形式的打印技術(shù)將活性墨水的細絲轉(zhuǎn)化稱為由聚合物微粒所形成的漿液,隨后其就會在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。

這些活性墨水由活的成纖維細胞(動物機體中最常見的細胞)和普遍存在的ECM蛋白—膠原蛋白-1組成,膠原蛋白能夠提供成纖維細胞附著并引發(fā)收縮反應(yīng)的基質(zhì)材料,這些打印出的長絲結(jié)構(gòu)具有一系列幾何形狀以及與成纖維細胞和膠原蛋白并不相同的組分,文章中,研究人員利用這些絲狀結(jié)構(gòu)作為最簡單構(gòu)建打印組織基本元件的模型,這類似于支撐框架中的單個梁。

研究者Morley等人測定了打印后細絲的幾何形狀如何隨時間而變化,因為細胞對膠原蛋白-1施加了牽引力并重塑了基質(zhì)的結(jié)構(gòu),通過系統(tǒng)性地改變長絲的厚度和長度,以及其膠原蛋白-1和細胞成分,研究人員就能夠全面理解生物材料中細絲的機械性能,盡管該研究僅限于簡單的細絲幾何形狀,但從原則上來講,其所得到的數(shù)據(jù)適用于機械模型,而該模型則能描述組織的變形及具有更復(fù)雜的細絲幾何形狀和模式的組織。

在一系列關(guān)鍵實驗中,研究者在細胞牽引下觀察到了四種類型的細絲行為,其能夠通過利用細絲的材料特性和微粒漿液的硬度來進行定量解釋(如圖),在具有低剛性的微粒漿液中,細絲會彎曲成波狀形狀從而減輕細胞施加的內(nèi)應(yīng)力;然而,如果漿液變得更硬的話就能夠防止彎曲,在中等漿液的硬度下,長絲要么會破裂成為較小的部分,要么會發(fā)生縮短,這取決于長絲中膠原蛋白-1的濃度,為此研究人員提出了一種理論框架,其能夠幫助預(yù)測3D打印機的克隆參數(shù)如何決定后期行為的發(fā)生。

研究者認為,他們所提出的理論框架能為4D生物打印提供定量的工程指南,比如,其能夠?qū)毎虴CM組分的打印排列進行成像,這些組分能夠自發(fā)地改變形狀從而產(chǎn)生阻止和器官的合成形式,比如腎臟、肺臟和血管等,其要比現(xiàn)實更加真實。

然而在這一愿景成為現(xiàn)實之前,研究人員或許還面臨著很多挑戰(zhàn),利用4D生物打印對功能性阻止進行工程化改造需要將大量活細胞和ECM組分整合到打印機所擠出的材料中,所有這些都將通過生物化學和機械方式彼此相互作用,那么多個偶聯(lián)的細絲如何在相互連接的框架中表現(xiàn)?其又是如何相互推拉的?而且細胞動力學本身如何隨著結(jié)構(gòu)曲線的變化而變化?目前研究人員并不清楚如何使用形態(tài)發(fā)生過程將更為復(fù)雜的物體工程化改造來得到一個穩(wěn)定的結(jié)果,或者是否這些過程并沒有研究人員所分析的細胞行為那樣強大,比如細胞增殖、分化和運動等。

最后,應(yīng)該指出的是,所有基于擠壓的打印技術(shù)都存在空間分辨率的問題,有趣的是,研究者Morley等人的觀察結(jié)果提出了組織工程可能會采用的解決方法,他們發(fā)現(xiàn),這些細絲能夠在某個參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)生收縮;因此,由于細胞牽引對整個打印對象的壓縮作用,打印組織結(jié)構(gòu)的有效空間分辨率可能要比打印機噴嘴的直徑要好得多。

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