中国科学家研发4D 打印工具，实现细胞组织切片检测的批量处理

来源：DeepTech深科技

他叫  杨辰，今年 33 岁，博士毕业于罗格斯大学机械工程系，研究 4D 打印方向，本硕均毕业于香港科技大学。和很多博士的毕业选择不同的是，祖籍北京的他在博士毕业后，选择来到中国制造业“高地”——深圳市，做了一名机械设计工程师。

△图 | 杨辰（来源：杨辰）

在其博士毕业之前，他的一篇论文以《用于高通量 3D 细胞培养和组织学的 4D 打印可变形管阵列》（4D-Printed Transformable TubeArray for High-Throughput 3D Cell Culture and Histology）为题，发表在 Advanced Materials 上[1]。

△图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

研发 TTA 的 4D 打印工具，实现细胞组织切片检测的批量处理
该研究通过 4D 打印的一个名为 Transformable Tube Array（TTA）的工具，来实现从三维细胞培养、到细胞组织切片检测的批量处理。从而达到加速与三维细胞培养相关的药物筛选、新药开发、疾病模型、以及个性化药物等方面的研究周期。

杨辰表示，比起传统的二维细胞培养，三维细胞培养是将提取出的细胞在体外培养研究的一种方式，后能更好地还原出细胞在生物体内的状态，因此该领域备受重视。

目前，三维细胞的批量培养已经实现，常见的是通过使用 96 孔板。而在检测时，细胞组织切片检测（Histology）是比较常用的手段，它指的是通过将细胞取材、固定、脱水、包埋、切片、染色、再进行显微镜观察，以从不同高度的切片中还原三维细胞结构中的组织与结构特性。

而从 96 孔板转移出培养的三维细胞，一般需要人工逐个完成，而且转移细胞组织时，需要很精细的操作。转移后的后续步骤里，包埋、切片等也同样需要一个个进行。

从转移到检测的过程非常耗时耗力，比起批量的细胞培养技术，后续检测的批量化处理技术明显不足。

杨辰所在实验室的主要研究方向是 4D 打印，也就是 3D 打印出可变形且性能可变的器件或结构，在第四个维度（时间）上实现设计好的变化。所以他们设想，利用 4D 打印可变形的 96 孔板嵌套器件，并将其命名为 TTA。在后续转移和切片时，让 TTA 带着所有三维细胞样品一起进行，从而达到批量处理的效果。

△（来源：Advanced Materials）

杨辰说，该课题的立项是从一家生物公司的招标项目开始，他们提出的需求就是解决三维细胞检测过于耗时耗力的问题。

研究中，他们组通过 4D 打印可变形工具 TTA 来解决的方案得到了这家公司的认可，这时项目就算立项了。有了项目之后，杨辰和导师一起分析关键难点。

在机械设计中，96 孔板的尺寸是后续切片检测时要求的样品大小 3.6 倍，所以转移时需要保证维持 96 孔板培养时的排布，同时要能把整个结构尺寸缩小 70%。之后，三维细胞组织就会和 TTA 一起切片处理。

在材料上，细胞培养则需要 TTA 具备生物相容性。另外，TTA的变形也需要可控，当需要配合 96 孔板时，它需要维持在大尺寸，当需要切片时，它需要变小并维持在小尺寸。而这个可控性是机械设计和材料共同决定的。

找到了难点，之后就是寻找解决难点的方向。杨辰博士期间的主要研究方向是 4D 打印形状记忆聚合物，这种形状记忆聚合物的特点是可以在低温时维持变形，而高温时回复打印形状，而这恰恰十分符合可控性。

材料大方向定了以后，就得考虑如何设计材料以达到需要的属性，而这些都是器件的应用场景所决定的，比如生物相容性、触发变形的温度（为保证细胞培养时的定型，高温变形时必须保证细胞组织结构不会被损坏）、材料强度（嵌套器件可操作性）、以及断裂伸长率（3.6 倍整体尺寸变形时不发生断裂）等方面。

材料设计基本确定了，机械设计的要求也就慢慢清晰了，论文中设计出的三维螺旋结构，正是结合各种需求和限制所产出的结果。

到这里，TTA 已经具备雏形，接下来就是测试用于细胞的培养和后续的切片。由于这里不是杨辰的专业领域，所以他开始和团队中的生物化学博士生、以及病理学专家展开合作实验。

这时，杨辰的职责就变成了解他们现有的流程，并为 TTA 设计出能相配合的使用方案。期间当然也少不了再对机械设计，材料后处理及打印工艺上进行改善优化。

跨领域合作项目，往往也意味着高难度，对此他深有感触。

他说：“其实，测试过程才是项目中耗时最长，而且难度最大的阶段，因为每个人都要解决很多以前不曾面对过的问题并在现有的基础上做出创新。”

举个简单的例子，如何对打印完的 TTA 进行材料后处理以达到生物相容性并且完全不影响细胞的培养，是他和合作者都没有面对过的问题。期间出现过后处理后 TTA 导致细胞大量死亡，少量死亡，前几天没事然后细胞突然就死了，也出现过 TTA 导致细胞过量增长的情况。

“我们也是研究实验了很久才找到合适的后处理方法。”杨辰表示。

从开始合作实验以后，他每天要在三个地方跑来跑去。

得去生物化学博士生的实验室里，跟对方一起观察 TTA 的使用情况以及细胞的反应，根据观察的情况讨论解决方案；接着，又要去病理学专家那里，带着TTA和培养的细胞，研究在已经相对成熟的细胞组织检查流程中实现批量化处理。

期间，杨辰和合作者需要相互理解各方的专业，也需要想尽办法从各个角度类解决碰到的问题。

（来源：Advanced Materials）

项目后期，由于疫情的原因，学校封校了半年左右。后来即使可以返校做实验了，工作时间、效率以及流动性也非常受限制，让合作难度提高了许多。杨辰回顾称：“当时这个项目还有一些让 TTA 测试结果更为完整也更有说服力的实验没有做完，也是有一些遗憾吧。”

可加速药物筛选、新药开发的周期
在论文发表的同时，杨辰和团队也申请了专利，后续如果有合适的机会，可以把TTA做成产品。

如前所述，该工作是为了加速与三维细胞培养相关的药物筛选、新药开发、疾病模型、以及个性化药物等方面的研究周期。而研究周期的加快，对于各种疾病的攻克、以及面对大流行病时的快速应对都有积极意义。

杨辰是北京人，生于 1988 年。本科就读于香港科技大学机械工程系，之后又读了一年并获得机械工程理学硕士学位。去了美国留学后，便一直在罗格斯大学读书。

他说：“读博士期间还是有点曲折的，中间换过一个组。我在第一个组做的是一种新的利用离心力的零损耗涂覆工艺，刚开始还是挺有兴趣的，也做完了第一个项目并发表了论文。但是规划后续方向时，觉得再继续深入做下去对我不太有吸引力了。经过一段时间的调研和思考，换到了做 4D 打印的组，然后就一直研究了下去并拿到了博士学位。”

这几年，4D 打印是个非常热门的研究方向，他还记得导师（Howon Lee）说过这个方向热度高，很容易提高研究成果的影响力，同时竞争者也多，做不好就容易被淘汰。

所幸这几年做下来没有被淘汰，不过也确实经历过几次刚有了想法并实验了一下，其他课题组想法相似的论文就发表出来的情况。

当时加入 4D 打印课题组时，杨辰的导师是助理教授的第二年，实验室也属于初创阶段。刚开始几年，全组花了不少时间在建设和摸索上，也承受着不小的压力。

后来，杨辰慢慢才认识到，4D 打印看似是机械范畴，但它同样牵扯到大量的材料和有机化学知识。经过前面的摸爬滚打以后，他终于也做出了一些成果。

比如 2019 年发表在 Materials Horizons 的论文《4D 打印可重构,可部署和机械性能可调节的超材料》（4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials）[2]，被评为Materials Horizons 2019 Outstanding Article。

图 | 相关论文（来源：Materials Horizons）

博士毕业后，杨辰回国到了深圳，获得了深圳市海外高层次“B类”人才的认定并入职了深圳摩方新材科技有限公司，担任设备研发机械工程师。摩方主要是做面投影微立体光刻（Projection Micro Stereolithography, PμSL）的 3D 打印机、3D 打印材料、以及终端产品的研发。公司拥有全球领先的超高打印精度，高精密的加工公差控制能力。

他说：“PμSL 是我博士期间一直学习研究并使用的一种微纳级精度 3D 打印技术，因此我对这个技术的发展前景还是非常看好的，也想为这个技术的发展推广做出贡献。”

参考：
1、Yang C, Luo J, Polunas M, et al. 4D‐Printed TransformableTube Array for High‐Throughput 3D Cell Culture and Histology[J]. Advanced Materials, 2020, 32(40): 2004285.
2、Yang C, Boorugu M, Dopp A, et al.4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunablemetamaterials[J]. Materials Horizons, 2019, 6(6): 1244-1250.