DeepTech深科技|中国学者革新3D生物打印，支架孔径达到细胞水平

自 2003 年美国克莱姆森大学团队首次实现了活细胞打印，将 3D 生物打印研究推到前台，科学家已经对该技术的应用前景进行了大胆展望，其中最具野心的预测，就是未来人体器官可以像汽车零配件一样，磨损了可修复，损坏了可替换。
3D 生物打印，正是提供这些人体“配件”的加工方式。它借助 3D 生物打印机，制造出细胞支架，再将细胞种入支架中，使细胞得以生长，并根据需要长成组织或器官。
但现实往往很“骨感” 。在实际操作中，现有的生物墨水通常难以快速打印出孔隙大小合适的细胞支架，这直接关系到附着其上的细胞，能否长成适合人体的“配件” 。
如今，一位中国学者领导的团队从材料角度出发，提出了全新的生物打印方式，结合材料的相变特性，制备出高度联通且具有细胞大小孔径的多孔水凝胶，突破了这一难题。该成果论文目前已被英国皇家化学学会接收，将在 Materials Horizons 杂志上发表。

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论文共同通讯作者为加拿大麦吉尔大学李剑宇教授和 Luc Mongeau 教授，第一作者为麦吉尔大学机械工程专业博士生鲍光宇。其中，李剑宇曾在 2019 年入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区榜单。他向 DeepTech 详细解读了这项最新成果，以及他另一项可能应用更广阔的研究——最聪明的生物材料。
给细胞打印宜居的“家” 一直以来， 3D 生物打印的一大难点，在于如何为细胞提供合适的生存环境、三维物理支撑。
具体来说，制备生物支架对其中的孔隙大小要求非常高。一般的细胞直径约为 10 微米，如果支架的孔径是上百微米，那细胞在支架上面，就和在平面上一样，无法贴合生长。
另一方面，组织工程一般会采用水凝胶材料作为生物墨水，而水凝胶的孔隙又特别小。材料中的高分子链纠缠在一起，会形成非常多的孔隙，就像海绵一样，只不过水凝胶的孔隙尺寸一般在 10~100 纳米之间。
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如果把细胞放到水凝胶材料当中，直径 10 微米左右的细胞，就会把支架填充成一个非常致密的材料。在这种拥挤的情况下，细胞的生长很多时候都会被束缚，更谈不上实现细胞功能。
“所以我们希望给细胞构建出一个三维的立体空间，且孔隙的量级和细胞的尺寸相当，即为 10 微米的量级。 ”李剑宇说。
他们从材料本身的基础性质的角度提出，利用材料的相变实现材料的孔隙。
根据论文介绍，李剑宇团队提出了提出了名为响应微孔成型生物打印方法（Triggered Micropore-Forming bioprinting ，简称 TMF），利用水凝胶刺激响应的微分相行为实现此类生物支架的快速制造。为此他们制备出一种由负载细胞的壳聚糖（chitosan）和聚乙二醇（PEG）微酸性水溶液组成的生物墨水。
其特点在于，在很小的范围内对材料的 pH 值进行调整，材料会自行分相，形成 10 微米级别的孔隙，从而形成了具有细胞支撑的结构。同时在 pH 值调整范围内，均不会对细胞的生长产生影响。

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图 | 使用TMF方法打印生物支架流程
相比之下，传统制备的水凝胶材料的孔隙特别小，仅有 10-100 纳米，这会阻碍细胞的生长，更不要说实现细胞的功能。李剑宇表示，这个研究的新意在于，团队利用材料的基本性质，制成了特殊的生物墨水，将其结合到 3D 打印里，就能解决传统 3D 打印方法难以解决的问题。