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雷射列印技術:創造完美的生物列印機

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/08/21

來自俄羅斯、中國大陸和美國的科學家,已經引起科學界對生物列印中最新和最有希望的雷射誘導向前轉移(LIFT)的關注。研究人員比較了LIFT生物列印機的雷射列印參數、生物聚合物成分、供體帶和收集器基板,以及製造材料的後印刷處理,所有這些都可能影響印刷組織和器官的特性。該研究將幫助科學家選擇最合適的技術和材料,避免生物列印過程中的許多陷阱,並為未來幾年開發該技術確定優先事項。分析的細節發表在《Bioprinting》上。

組織工程材料越來越多地用於醫學,主要是因為它們是透過模仿細胞發育的自然環境而產生的。與傳統的細胞療法相比,使用細胞載體(支架)是一個進步,傳統的細胞療法自身使用幹細胞。生物列印技術允許透過在3D支撐結構上,逐層沉積細胞和生物分子(例如藥物或生長因子)來重建組織或器官模型 (器官晶片Organ on a Chip)

LIFT技術使用雷射脈衝能量轉移細胞和生物分子。LIFT生物列印機的雷射光束聚焦於供體帶 - 塗有能量吸收材料(例如金屬)的玻璃載玻,和一層生物粘合劑(帶有細胞和生物分子的水凝膠)。在雷射束撞擊表面的情況下,它加熱並蒸發能量吸收層,產生氣泡,該氣泡推動來自水凝膠層的射流。產生的射流落在另一個載玻片上,即收集器基板,沉積液滴。

LIFT技術提供高印刷速度和細胞存活率、細胞或分子的精確轉移,並且允許與包括微生物和諸如球狀體的全細胞結構的各種物體一起工作。然而,每個水凝膠 - 細胞組合需要計算特定的雷射轉移參數。

該論文的作者分析了33項使用LIFT進行生物列印的研究。他們系統地分析了雷射源、能量吸收材料、供體帶和收集器基板的描述,以及比較研究的目標和結果。

最常用的雷射波長分別為1931064奈米(分別為短紫外和近紅外波長),儘管也有更長和更短波長的成功實驗。金、鈦、明膠和含明膠的混合物被用作能量吸收材料,而五項研究的研究人員根本沒有使用這一層。

大多數研究使用鼠成纖維細胞(合成細胞外基質蛋白的結締組織細胞),或間充質基質細胞(可分化成各種結締組織細胞的細胞),選擇取決於細胞的可用性。

許多研究團隊使用的生物墨水包含甘油和甲基纖維素,以幫助生物墨水保留水分,或血漿,以支持細胞生長。另一種常見組分是透明質酸,因為它改善了生物粘度並促進細胞生長。最好的生物材料之一是膠原蛋白,它是結締組織的主要成分。在一些研究中,生物墨水還與收集器基板形成「功能數對」:例如,如果供體帶是基於藻酸鹽的,則收集器基底含有鈣離子,而含纖維蛋白原的供體帶與含有凝血酶的收集器基底一起使用。這種「功能數對」允許有效地保持印刷構造的形狀,因為收集器基底中的物質充當生物固定劑。

研究還使用了不同類型的印刷:2D,其中細胞排列成單層(研究人員印刷線條、形狀、字母、數字或奧林匹克標誌)或3D,這樣可以重建複雜的細胞結構,如幹細胞壁龕。透過逐層沉積生物墨水來創建三維結構。

這些研究的作者使用各種技術來評估生物列印過程對細胞的影響。大多數研究人員指出細胞存活率相當高,儘管存在機械衝擊和溫度峰值,但DNA沒有受到損害。細胞增殖率或幹細胞分化能力(轉化為更特化的細胞)沒有變化。在一些研究中,將印刷的組織植入實驗動物中。該評價的作者認為,隨著未來幾年該技術的改進,將有更多涉及動物的研究。

該論文的作者之一,Sechenov大學再生醫學研究所所長Peter Timashev說:「LIFT技術相當新,並且剛剛開始征服生物醫學世界。當然,它將得到改進並進一步用於組織工程,甚至可能用於臨床實踐。但是,我認為,它最有希望的應用是與其他技術相結合,可以創造用於移植的組織和器官」