清华机械系团队首次提出活体喷墨生物3D打印中“生物像素”的概念

近年来,生物3D打印技术,特别是细胞、组织以及器官等活体的打印在医学、生物与工程各界引起广泛关注。喷墨打印技术首先在细胞3D打印中应用并逐步发展,涌现出大量革新性成果,对基础研究、产业转化等方面产生重大影响,现已成为生物3D打印的三大代表性技术之一。日前,清华大学机械系生物制造中心教授徐弢首次提出活体喷墨打印中“生物像素”的概念。

“Inkjet Bioprinting of Biomaterials”(生物材料喷墨打印技术)为徐弢教授团队近日在国际期刊《Chemical Reviews》(化学评论)上发表的综述文章。该文全面系统地介绍了喷墨生物3D打印技术的发展历程和国内外研究进展,并就该技术存在的挑战进行了分析与讨论,同时提出了未来可能的发展方向。

喷墨技术起源于十九世纪末,最早被应用于印刷出版业。因其具备高通量、高分辨率、非接触和按需打印等特点,越来越多的研究者开始发掘这项技术在其他领域的应用价值。步入二十一世纪后,由于喷墨生物打印技术的快速发展及其影响力的日益提升,对喷墨生物打印重要进展进行系统性总结具有必要性。

图1  典型喷墨打印生物材料及应用

图1  典型喷墨打印生物材料及应用

该文简要介绍了喷墨技术的发展历史、技术原理与技术特点。随后,根据打印对象生物活性的逐渐提升,文章按打印纯材料、生物大分子(蛋白质、DNA)、细胞的顺序展开介绍,归纳总结了喷墨打印在这些领域的研究进展与代表性应用。在文章的讨论部分,针对喷墨生物打印技术现存的瓶颈与挑战,从材料、技术、策略与设备四个角度给出了可能的解决方案。

高分辨率是喷墨打印的重要特点, 受彩色印刷像素概念的启发,文章首次提出了生物像素的概念:将人体内四大组织(神经、上皮、肌肉、结缔)来源的祖细胞定义为细胞三维打印的“生物像素”。根据给定位置信息,将“生物像素”按不同数量比例进行打印组装并诱导分化,即可形成不同组织与器官。且单位体积内“生物像素”的含量越高,细胞间联系越充分,协同作用越强,即“分辨率”越高。此外,组成DNA分子的四个碱基(A, T, C, G)可归纳为用于DNA制造的“生物像素”:通过喷墨打印技术将不同的碱基对按照不同的次序排列,即可根据需要定制不同长度和序列的DNA链,以此构建信息存储的生物载体。这一概念的提出,为喷墨打印构建组织与器官提供了一种更本质的阐述,有望更全面地指导活体打印设计、仿生结构成形和生物功能实现;同时亦可为喷墨打印技术在信息存储领域的应用提供指导和参考。该文还展望了面向功能化组织/器官制造的4D喷墨生物打印技术,并描绘了生物3D打印发展路线图。

图2  传统印刷像素和“生物像素”类比示意图

图2  传统印刷像素和“生物像素”类比示意图

图3  生物3D打印的发展路径图

图3  生物3D打印的发展路径图

论文通讯作者徐弢教授来自机械系生物制造中心团队,他从2001年开始从事喷墨生物打印技术研究,是国际上最早进行细胞和器官打印技术开发的研究者之一,拥有世界首个细胞打印专利并作为第一作者发表首篇细胞喷墨打印论文。该论文被美国科学杂志作为重大技术突破进行专题报道(Science,2004年9月24日,第1895页)。美国著名的《Business 2.0》(商业2.0)杂志将细胞及器官打印技术评为21世纪改变世界的六大技术之一(2003年5月刊)。基于前期工作贡献,徐弢教授应《Chemical Reviews》(化学评论)编辑部邀请撰写本文,旨在促进对喷墨生物打印技术的重新思考和全面理解,推动该技术在药物开发、生物制造、组织工程、信息存储等领域进一步融合应用。徐弢教授指导的机械系博士生李欣达、清华-伯克利深圳学院博士生刘博勋为该论文共同第一作者。

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