哈佛科學家開發出藻類生物墨水，以改進生物3D打印組織的可行性
時間：2020-11-25 08:20 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網11月25日記訊，哈佛醫學院的科學家們開發了一種新型的基于藻類的生物墨水，一旦將其3D打印到軟組織結構中，它就會顯示出增強的細胞活力。該小組通過將光合藻類和人類肝細胞結合到水凝膠基質中來形成生物墨水，然后將其用于具有逼真的肝臟“小葉”的3D打印六邊形結構。由于藻類具有天然的放氧趨勢，因此生物印染的人類細胞得以繁殖，顯示增加的功能，并產生肝臟特異性蛋白。
將來，研究人員相信，他們的新生物打印技術可以應用于從藥物開發和個性化藥物到以藻類為基礎的健康零食等領域。該論文的資深作者Y. Shrike Zhang說：“這項研究是共生組織工程學以生理學上有意義的方式結合植物細胞和人類細胞的第一個真實例子。我們的研究提供了一個獨特的例子，說明我們如何利用自然界中常見的共生策略來增強我們對人體功能組織進行工程改造的能力。”
研究小組的六角形生物打印結構（如圖所示）被證明能夠在7天內支撐92％的細胞。照片由《物質問題》雜志提供。
對生物3D打印組織的迫切需求
器官捐獻者短缺仍然是世界范圍內的重大問題，根據世界衛生組織的數據，目前僅滿足大約10％的移植需求。因此，開發人工替代產品的緊迫性越來越高，近年來3D生物打印已在這一領域取得了重大進展。盡管研究人員采取了不同的方法，但最終形成的充滿細胞的結構通常缺乏使它們在最終使用場景中有用的細胞生存力。例如，華盛頓州立大學（WSU）的科學家還創造了一種天然增強的水凝膠，但尚未準備好用于醫療用途。
細胞活力很大程度上取決于它們的氧氣暴露水平，并且證明氧的均勻分布有助于細胞生長。然而，由于破壞性副產物和不一致的釋放曲線，先前嘗試使用分配氧的生物材料充氧充滿細胞的水凝膠的嘗試已經停止。據中國3D打印網了解，為了克服這些限制，研究小組調整了德累斯頓工業大學開發的富含藻類的水凝膠，使其包含更高的纖維素濃度。天然聚合物不僅為科學家的水凝膠提供了完整性，而且最終證明了能夠充實他們進行3D打印的組織的能力。
科學家希望他們結合的3D打印和交聯方法（如圖所示）將構成具有增強的細胞活力的組織支架的基礎。圖片來自《物質問題》雜志。
哈佛團隊的藻類水凝膠
該團隊通過將羧甲基纖維素與明膠，PVA和藻酸鹽結合在一起，并調整每一種的量來優化墨水的粘度，從而創建了他們的水凝膠。一旦團隊確定了理想的混合物，他們便用它來3D打印一系列蜂窩結構，每個蜂窩結構包含七個六角形小葉。
在打印過程中，研究人員創建了一系列六層，十層和二十層的薄紙，這些薄紙形成了3D管狀網格狀圖案。然后，科學家將不同含量的萊茵衣藻光合作用藻類和10％的胎牛血清混合到添加劑構建物中，并觀察到令人鼓舞的結果。經過生物印刷的藻類以光合作用的方式釋放氧氣，從而增強了肝細胞的活力和功能，而不會影響生物油墨的可印刷性。此外，在最后一步中，研究小組添加了纖維素酶以溶解其生物墨水，并發現它留下了挖空的微通道。
將來，研究人員相信，他們的新生物打印技術可以應用于從藥物開發和個性化藥物到以藻類為基礎的健康零食等領域。該論文的資深作者Y. Shrike Zhang說：“這項研究是共生組織工程學以生理學上有意義的方式結合植物細胞和人類細胞的第一個真實例子。我們的研究提供了一個獨特的例子，說明我們如何利用自然界中常見的共生策略來增強我們對人體功能組織進行工程改造的能力。”
研究小組的六角形生物打印結構（如圖所示）被證明能夠在7天內支撐92％的細胞。照片由《物質問題》雜志提供。
對生物3D打印組織的迫切需求
器官捐獻者短缺仍然是世界范圍內的重大問題，根據世界衛生組織的數據，目前僅滿足大約10％的移植需求。因此，開發人工替代產品的緊迫性越來越高，近年來3D生物打印已在這一領域取得了重大進展。盡管研究人員采取了不同的方法，但最終形成的充滿細胞的結構通常缺乏使它們在最終使用場景中有用的細胞生存力。例如，華盛頓州立大學（WSU）的科學家還創造了一種天然增強的水凝膠，但尚未準備好用于醫療用途。
細胞活力很大程度上取決于它們的氧氣暴露水平，并且證明氧的均勻分布有助于細胞生長。然而，由于破壞性副產物和不一致的釋放曲線，先前嘗試使用分配氧的生物材料充氧充滿細胞的水凝膠的嘗試已經停止。據中國3D打印網了解，為了克服這些限制，研究小組調整了德累斯頓工業大學開發的富含藻類的水凝膠，使其包含更高的纖維素濃度。天然聚合物不僅為科學家的水凝膠提供了完整性，而且最終證明了能夠充實他們進行3D打印的組織的能力。
科學家希望他們結合的3D打印和交聯方法（如圖所示）將構成具有增強的細胞活力的組織支架的基礎。圖片來自《物質問題》雜志。
哈佛團隊的藻類水凝膠
該團隊通過將羧甲基纖維素與明膠，PVA和藻酸鹽結合在一起，并調整每一種的量來優化墨水的粘度，從而創建了他們的水凝膠。一旦團隊確定了理想的混合物，他們便用它來3D打印一系列蜂窩結構，每個蜂窩結構包含七個六角形小葉。
在打印過程中，研究人員創建了一系列六層，十層和二十層的薄紙，這些薄紙形成了3D管狀網格狀圖案。然后，科學家將不同含量的萊茵衣藻光合作用藻類和10％的胎牛血清混合到添加劑構建物中，并觀察到令人鼓舞的結果。經過生物印刷的藻類以光合作用的方式釋放氧氣，從而增強了肝細胞的活力和功能，而不會影響生物油墨的可印刷性。此外，在最后一步中，研究小組添加了纖維素酶以溶解其生物墨水，并發現它留下了挖空的微通道。
用人類血管細胞填充這些腔室，使科學家能夠創建肝樣組織，這些組織表現出良好的細胞生長并產生天然蛋白質。不包含藻類注入的細胞結構僅能顯示70％的存活率，而包含藻類注入的細胞結構則能顯示高達92％的存活率。Zhang總結說：“以前沒有報道過這樣一種逃逸的生物墨水的開發，該墨水可以在單個組織構建物中進行初始的氧合和隨后的血管形成。這是成功完成有活力和功能性組織工程的關鍵一步。”
使用藻類的好處
藻類不僅對人體健康，而且在減少溫室氣體排放方面也起著一定的作用，其綠色素養日益使它成為3D打印相關研究的主題。荷蘭瓦赫寧根大學和西班牙瓦倫西亞大學的科學家已經部署了海藻藻類，以3D打印各種健康谷物小吃。研究小組認為，他們可以自定義藻類食品的形狀，質地和顏色，以使其更具吸引力。
在其他地方，來自劍橋大學和圣地亞哥大學圣地亞哥分校的聯合團隊擁有3D生物打印的模仿珊瑚的結構，能夠生長微藻類。通過微調藻類的培養，科學家旨在開發一種減少發展中國家溫室氣體排放的方法。
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