新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員正在使用計(jì)算建模技術(shù)來(lái)推進(jìn)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(gè)人體器官。
當(dāng)今許多最先進(jìn)的生物打印機(jī)都基于擠出工藝，通過(guò)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(jī)將通過(guò)通過(guò)微小通道精確操縱液體來(lái)運(yùn)行，并且可以打印尺寸僅為數(shù)十微米的結(jié)構(gòu)。這更類(lèi)似于單細(xì)胞規(guī)模，據(jù)報(bào)道，如果我們想讓 3D 打印器官成為現(xiàn)實(shí)，這就是我們所需要的。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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(shuō)：“規(guī)模非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響器官的生物學(xué)。我們?cè)谌祟?lèi)細(xì)胞的規(guī)模上運(yùn)作，這讓我們能夠打印出模仿我們?cè)噲D復(fù)制的生物學(xué)特征的結(jié)構(gòu)。”
BICO 的 Bio X 3D 生物打印機(jī)，一種基于擠壓的系統(tǒng)。通過(guò) BICO 照片。
邁向人體器官移植
對(duì)于患有嚴(yán)重疾病的人來(lái)說(shuō)，器官移植可以挽救生命，但一直缺乏合適的供體。在美國(guó)，目前有超過(guò) 100,000 名患者在等待移植名單上，每天約有 17 人在等待捐贈(zèng)者時(shí)死亡。
長(zhǎng)期以來(lái)，3D 生物打印技術(shù)一直被認(rèn)為是該問(wèn)題的潛在解決方案，但缺乏技術(shù)發(fā)展意味著我們還沒(méi)有完全做到這一點(diǎn)。就目前而言，生物打印機(jī)擅長(zhǎng)制造簡(jiǎn)單的單細(xì)胞組織和結(jié)構(gòu)，但 Chang 和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，微流體技術(shù)可能是設(shè)計(jì)幾乎任何類(lèi)型的復(fù)雜組織的關(guān)鍵。這包括整個(gè)重要器官，甚至直接印在開(kāi)放性傷口上的皮膚。
“在不需要人類(lèi)捐贈(zèng)者的情況下創(chuàng)造新的器官來(lái)訂購(gòu)和挽救生命，這將對(duì)醫(yī)療保健帶來(lái)巨大的好處，”Chang 說(shuō)。“然而，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)是很棘手的，因?yàn)槭褂蒙锬?mdash;—充滿(mǎn)培養(yǎng)細(xì)胞的水凝膠——打印器官需要對(duì)打印的微纖維的幾何形狀和尺寸進(jìn)行一定程度的精細(xì)控制，這是目前 3D 打印機(jī)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。”
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(lèi)型的前體，因此用戶(hù)可以將它們組合在一個(gè)打印的組織結(jié)構(gòu)中。這對(duì)于肝臟和腎臟等復(fù)雜器官至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于多種細(xì)胞類(lèi)型協(xié)同工作。
計(jì)算建模 3D 生物打印
將 3D 生物打印過(guò)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(dòng)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)微流體打印頭的計(jì)算模型。該模型允許他們微調(diào)參數(shù)并預(yù)測(cè)它們可能如何影響過(guò)程，而無(wú)需進(jìn)行繁瑣的物理實(shí)驗(yàn)。
該研究的第一作者 Ahmadreza Zaeri 表示：“我們的計(jì)算模型推進(jìn)了一種公式提取，可用于預(yù)測(cè)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(guò)模擬現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)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(kāi)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。
這項(xiàng)工作的更多細(xì)節(jié)可以在題為“基于微流體的生物打印參數(shù)對(duì)微纖維幾何結(jié)果的影響的數(shù)值分析”的論文中找到。
建模微流控打印頭的示意圖設(shè)計(jì)和數(shù)值建模參數(shù)，圖片來(lái)自 Stevens IoT。
這當(dāng)然不是微流體技術(shù)第一次成為增材制造領(lǐng)域的頭條新聞。今年早些時(shí)候，總部位于北卡羅來(lái)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(jìn)微流體 3D 打印領(lǐng)域。Phase 和 Virginia Tech 將共同使用前者專(zhuān)有的 LE3D 打印技術(shù)開(kāi)發(fā)新型微流控設(shè)備，幫助研究人員針對(duì)腦癌等疾病制定新的和改進(jìn)的醫(yī)學(xué)治療方法。
