哈佛教授研發冷凍生物打印讓生物組織儲存較長時間

生物3D打印作為一項新興技術，越來越受到生物技術專家等的青睞。其打印機理通常是是通過逐層堆積的方式來構建復雜的實體生物組織。該技術因設計靈活、個性化定制等優勢而廣泛應用于生物醫學工程和再生醫學領域中，具有十分廣闊的應用前景。

提到生物打印，和日常打印類似，也需要打印“墨水”，但是這里的墨水來源于活性細胞和生物材料。我們知道，細胞的生存需要一定的微環境，因此，這里存放的“生物墨水”就需要設計出便于生物打印和儲存期間有效保存細胞的組件。

而隨著新材料和微納米技術的發展，這種組件的設計擁有了更加靈活和多樣的性能，以至于細胞在更加極端惡例的環境下依然能夠生存，其中最引人注目的技術之一就是低溫生物打印技術。

哈佛大學醫學院張宇教授專注于創新生物醫學工程技術，包括生物3D打印、器官芯片、微流控、生物分析等，以重建功能化組織及其仿生模型。其課題組在多本期刊上發表論文260余篇。

近日，張宇教授團隊在Matter報道了一種非常規的生物打印技術， 稱為冷凍生物打印，利用生物打印和低溫保存方法協同，通過使用新型打印裝置和生物墨水，打印的生物組織可以被儲存較長時間，并在需要時進行解凍/交聯以及復蘇后的培養和使用。該技術的研發有望擴展生物打印的應用，如可儲存的生物組織和組織模型，以便可以隨時運送到所需的地點。該研究成果以“Freeformcell-laden cryobioprinting for shelf-ready tissuefabrication and storage”為題。

生物在3D打印的組織結構的制作和存儲方面存在挑戰。一方面，大多數生物打印技術，如廣泛使用的擠出式生物打印，它們的缺點是較為復雜的打印過程，因此該制造技術在許多環境下難以實現。另一方面，由于缺乏長期儲存細胞的功能性設計，所以預先打印的生物組織產品無法實現較高的現貨率。

結合先進生物制造技術和儲存方法（如生物打印和低溫保存）是解決上述障礙的一個潛在的解決方案。由此，生物打印的組織可以提前在非現場制備，允許在低溫條件下直接存儲，以供以后的實驗室或臨床使用。但是這種方法存在一個挑戰，那就是要解決冰晶的形成和再結晶等可能會對所制備組織的細胞活性產生負面影響。

為了解決這個挑戰，生物墨水的設計十分重要，以便在生物打印和冷凍儲存/復蘇期間有效保存細胞。研究表明，冷凍保護劑在消除或減少冰晶形成中有關鍵作用。在沒有冷凍保護劑的情況下，冰晶會大量快速生長，從而破壞細胞膜而危害細胞的生存能力。

二甲基亞砜是一種傳統的冷凍保護劑，廣泛用于低溫保存，以減少冰晶的形成。此外，分子量較大的冷凍保護劑可以保護細胞免受細胞外高滲造成的滲透損傷。如各種二糖如蔗糖、海藻糖、乳糖、和麥芽糖，以及三糖如麥芽糖和棉子糖等，都顯示出良好的低溫保護作用。

此外，軟材料，特別是文中所用的水凝膠材料，其構成的3D網絡結構可以進一步減少冰晶的形成，從而為細胞提供一個固有的物理低溫保護微環境，即含有冷凍保護劑的細胞負載水凝膠支架提供了良好的低溫保存環境，從而在復活后具有較高的細胞活力和細胞功能。

文中強調的設計，是一種同時進行生物3 D打印和低溫保存細胞承載組織構建的方法。簡單來說，就是通過設計一個冷凍板，其在打印過程中可以允許精確的溫度控制，從而在低溫可控條件利用含有冷凍保護劑和活細胞的生物墨水打印生物組織。具體如下圖，該裝置里，載細胞生物墨水在嚴格控制溫度的冷凍板上進行低溫生物打印，并在低溫條件下長期保存。在隨后的培養之前，低溫生物打印的結構可以運輸至需要的地點進行復蘇和交聯，以及隨后的使用。

隨后，為了進一步驗證這項技術，該團隊利用間充質干細胞成骨、成脂和成軟骨分化后細胞的功能性來考察打印后生物組織的存活、增殖和分化能力。有趣的是，該設計證明了冷凍生物打印的細胞載體可以有效保證細胞的存活率和功能性。除此之外，該研究也核實了低溫生物打印的組織能夠維持其誘導血管生成的能力，從而說明了此類設計沒有對細胞或者生長因子造成損害。

該研究重要的亮點就是設計了一個用于構建低溫條件的冷凍板，這是保證細胞活性微環境的關鍵組件，同時，該裝備也會保存細胞、保證生物打印組織的功能和表面細胞的生存提供了有效性，為骨組織工程或者細胞組織模型打開了一個嶄新的創新之路。

基于該研究，人們可以想象，細胞在此微環境下能夠生存并且可以通過該設計打印特定的生物組織和器官，并保證了組織細胞的增殖和分化能力，這種創新設計可對于任何醫院，任何一個病人來說，都可以說是福音，因為它可以為患者量身定制一個具有活性細胞載體的組織和器官，并且可以提前制備和儲存以備不時之需，對于提高患者的生存和組織修復等都是莫大的幫助;當然，對于體外組織模型的可轉運性和現貨率亦有很大的提高。