体积生物打印制造类肝脏代谢工厂

供稿人：谢璇璇 高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

制备保留人体组织和器官功能的3D“活”结构是药物发现、毒理学测试和精准医学的先进体外模型以及再生医学的主要研究方向。生物打印技术已成功制备具有器官主要功能的结构，包括工程卵巢，甲状腺，和神经支配骨骼肌。此外，结合如图1D所示类器官（表达关键器官样行为的小型化3D结构）技术，可制备生理相关大小（即高于厘米尺度的尺寸）的复杂“活”结构。

荷兰的乌德勒支大学医学中心通过改良光驱动体积生物打印（volumetric bioprinting , VBP）流程（如图A所示）成功制造类肝脏生物代谢工厂。该技术原理为使用一系列待打印结构的过滤背投影，用可见光从多个角度照射装满生物树脂的腔室，光投影叠加提供的累积能量剂量仅在与打印结构对应的几何形状中引发光交联，从而快速构建打印结构。体积生物打印的主要优势在于快速制造，所需光剂量对细胞伤害小，无需支撑与牺牲结构。

图1 高分辨率体积生物打印技术打印类器官概述

当细胞及类器官成为3D打印原料缸中主要成分之一，打印精度所依靠的光学性能下降。该团队首先厘清细胞及肝脏类器官对光学性能的定量改变，并通过加入10%（w/v）辅剂碘沙醇抵消了这种负面影响，进而选定工艺窗口，使打印精度最高达到41.5 ± 2.9 微米，并在不到30秒的时间里打印4.14立方厘米的构建体。所打印的代谢工厂，其内类器官活性良好，微观结构和形态保存完整，关键肝细胞分化标志物的表达丰富。从生物功能上看，类器官分泌白蛋白与转氨酶，展现出氨解毒能力，这是肝脏中尿素循环的关键步骤。除此以外，打印结构引入晶格设计，从而调控类器官群空间分布，控制支架内的流体流动，影响类器官和培养液溶质通信，从而对氨解毒过程产生调节作用。

总的来说，超快VBP工艺与类器官技术的结合在开发先进的再生医学方法和基础生物学研究，个性化药物筛选和疾病建模的体外模型开发方面具有巨大潜力。

参考文献：
Paulina NB, Manon B, Jorge MW, Marc F, Sammy F, Nuria GR, et al. Volumetric Bioprinting of Organoids and Optically Tuned Hydrogels to Build Liver-Like Metabolic Biofactories. Advanced Materials. 2022. https://doi.org/10.1002/adma.202110054