想要3D打印肾脏?从小处着手
人体器官移植为患有严重疾病的人提供了重要的生命线，但器官太少:仅在美国，目前就有超过11.2万人在等待移植。3D打印器官的前景是解决这一短缺的一种可能的解决方案，但一直充满了复杂性和技术障碍，限制了可以打印的器官类型。史蒂文斯理工学院(Stevens Institute of Technology)的研究人员正在通过利用几十年前的技术来复制任何类型的组织，来突破这些障碍。
史蒂文斯大学舍弗工程与科学学院机械工程系副教授罗伯特·张(Robert Chang)领导的这项工作，可以在任何时间为任何类型的器官，甚至是开放性伤口上的皮肤，开辟3D打印的途径。
罗伯特·张(Robert Chang)的研究成果发表在4月份的《医学杂志》上，他说:“在不需要人类捐献者的情况下，按需制造新的器官，挽救生命，这将给医疗保健带来巨大的好处。科学报告．“然而，实现这一目标是棘手的，因为使用‘生物墨水’打印器官——含有培养细胞的水凝胶——需要对打印的超纤维的几何形状和大小进行一定程度的精细控制，而目前的3D打印机根本无法实现。”
Chang和他的团队，包括第一作者和Chang实验室的博士候选人Ahmadreza Zaei，希望通过快速跟踪一种新的3D打印过程来改变这一现状微流体通过微小的通道对液体进行精确的操作，以比以往可能的更小的规模进行操作。“最近的出版物旨在提高制造结构的可控性和可预测性microtissues而且超细纤维通过微流控生物打印技术实现，”Zaeri说。
目前大多数3D生物打印机都是基于挤压技术的，通过喷嘴喷出生物墨水，制造出约200微米的结构——大约是一根意大利面条宽度的十分之一。基于微流体的打印机可以打印出几十微米量级的生物物体，与单个细胞尺度相当。
“规模非常重要，因为它影响器官的生物学，”Chang说。“我们在人类细胞的规模上进行操作，这让我们能够打印出模仿我们试图复制的生物特征的结构。”
除了在较小的规模上运行，微流控技术还使多种生物墨水(每种墨水包含不同的细胞和组织前体)可以在单个打印结构中互换使用，就像传统打印机将彩色墨水组合成单个生动的图像一样。
这很重要，因为虽然研究人员已经通过鼓励组织在3d打印的支架上生长，创造出了简单的器官，如膀胱，但更复杂的器官，如肝脏和肾脏，需要许多不同的细胞类型才能精确结合。Chang说:“能够在这种规模下进行操作，同时精确地混合生物墨水，使我们有可能复制任何类型的组织。”
缩小3D生物打印需要艰苦的研究，以准确地找出不同的工艺参数，如通道结构、流动速度和流体动力学，如何影响打印生物结构的几何形状和材料特性。为了简化这一过程，Chang的团队创建了一个计算模型微流控打印头，使他们能够调整设置和预测结果，而不需要艰苦的现实世界的实验。
Zaeri说:“我们的计算模型推进了一种公式提取，可用于预测从微流体通道挤出的预制结构的各种几何参数。”
该团队的计算模型准确地预测了现实世界微流体实验的结果，Chang正在使用他的模型来指导关于具有不同几何形状的生物结构的打印方式的实验。这项研究工作的结果可用于组合的多细胞型生物墨水的打印，这种墨水可以复制在骨骼和肌肉交叉处具有几何和成分特性的梯度组织。
Chang还在探索使用微流体3D打印技术来原位创建皮肤和其他组织，使患者能够将替代组织直接打印到伤口中。他说:“这项技术还很新，我们不知道它究竟能实现什么。”“但我们知道，这将为创造新的结构和重要的新型生物学打开大门。”
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