麻省理工學(xué)院實現(xiàn)細(xì)胞級尺度的生物材料基底3D打印

來源：BMC期刊

眾所周知，細(xì)胞形狀決定細(xì)胞功能。通過改變用于細(xì)胞操作的生物材料基底的生物物理特性來改變生物形狀，從而實現(xiàn)編程細(xì)胞形態(tài)與功能的技術(shù)，在生物醫(yī)療等領(lǐng)域有重要價值和意義。麻省理工學(xué)院比特和原子中心與新澤西州史蒂文斯技術(shù)學(xué)院的技術(shù)團(tuán)隊實現(xiàn)了利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術(shù)，運用該技術(shù)可以通過控制特定的生物材料基底，生長出具有均勻大小和形狀，以及特定功能的細(xì)胞。

傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)所產(chǎn)生的細(xì)絲可以達(dá)到150微米（百萬分之一米），細(xì)胞在該尺度的打印表面，就像在二維表面上一樣，因為細(xì)胞本身比打印出的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)小很多。3D打印時，在擠出纖維和打印的過程中，給噴嘴之間增加一個強(qiáng)電場，打印出的纖維寬度可以達(dá)到10微米，該技術(shù)稱為熔融直寫技術(shù)。熔融直寫技術(shù)可以生成與細(xì)胞同尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而為細(xì)胞生長提供一個真正的3D結(jié)構(gòu)。細(xì)胞的許多功能受其微環(huán)境的影響，通過調(diào)節(jié)3D打印出的與細(xì)胞同尺度的多孔微結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)對細(xì)胞尺寸、形狀及其在材料基底上的粘合方式的控制，即制造具有特定大小、形狀和特性的細(xì)胞。

該團(tuán)隊首先采用熔融直寫技術(shù)得到各種特定結(jié)構(gòu)的生物基底，然后使用共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞在纖維中的生長，并采用人工智能方法對產(chǎn)生的大量的圖像進(jìn)行分析和分類，從而發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型及其可變性與其所生長的微環(huán)境的空間與纖維排列等特征間的關(guān)聯(lián)。

細(xì)胞在其附著于結(jié)構(gòu)的位置會形成稱為“粘著斑”的蛋白質(zhì)。粘著斑就像細(xì)胞與外界交流的“信使”，這種蛋白攜帶可被測量的特征；該團(tuán)隊通過量化粘著斑上的特征，并對這些特征進(jìn)行計量分析，實現(xiàn)不同形狀細(xì)胞的建模與分類。

此項研究表明，在給定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)下，細(xì)胞生長出的形狀與其基底結(jié)構(gòu)和熔融直寫結(jié)構(gòu)直接耦合，并且，這種耦合性相比隨機(jī)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格具有高度的統(tǒng)一性，這種統(tǒng)一的細(xì)胞生長特性對生物醫(yī)療意義重大——實現(xiàn)了由形狀驅(qū)動，具有很高重復(fù)性的精準(zhǔn)設(shè)計與量化細(xì)胞的方法。

該團(tuán)隊將此項成果用于干細(xì)胞生長，結(jié)果表明，特定干細(xì)胞在本研究所得的三維網(wǎng)格中生長，比在傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)中生長所保持特性的時間顯著增長。該實驗為此項技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考，可以采用此項技術(shù)培養(yǎng)具有特定功能的人類細(xì)胞，從而為移植與人造器官提供所需的材料。進(jìn)一步明確細(xì)胞表型變化與三維打印的材料基底之間的耦合特性，是目前此項研究實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。

來源：BMC期刊