哈佛科学家开发出藻类生物墨水，以改进生物3D打印组织的可行性
中国3D打印网11月25日记讯，哈佛医学院的科学家们开发了一种新型的基于藻类的生物墨水，一旦将其3D打印到软组织结构中，它就会显示出增强的细胞活力。该小组通过将光合藻类和人类肝细胞结合到水凝胶基质中来形成生物墨水，然后将其用于具有逼真的肝脏“小叶”的3D打印六边形结构。由于藻类具有天然的放氧趋势，因此生物印染的人类细胞得以繁殖，显示增加的功能，并产生肝脏特异性蛋白。
将来，研究人员相信，他们的新生物打印技术可以应用于从药物开发和个性化药物到以藻类为基础的健康零食等领域。该论文的资深作者Y. Shrike Zhang说：“这项研究是共生组织工程学以生理学上有意义的方式结合植物细胞和人类细胞的第一个真实例子。我们的研究提供了一个独特的例子，说明我们如何利用自然界中常见的共生策略来增强我们对人体功能组织进行工程改造的能力。”
研究小组的六角形生物打印结构（如图所示）被证明能够在7天内支撑92％的细胞。照片由《物质问题》杂志提供。
对生物3D打印组织的迫切需求
器官捐献者短缺仍然是世界范围内的重大问题，根据世界卫生组织的数据，目前仅满足大约10％的移植需求。因此，开发人工替代产品的紧迫性越来越高，近年来3D生物打印已在这一领域取得了重大进展。尽管研究人员采取了不同的方法，但最终形成的充满细胞的结构通常缺乏使它们在最终使用场景中有用的细胞生存力。例如，华盛顿州立大学（WSU）的科学家还创造了一种天然增强的水凝胶，但尚未准备好用于医疗用途。
细胞活力很大程度上取决于它们的氧气暴露水平，并且证明氧的均匀分布有助于细胞生长。然而，由于破坏性副产物和不一致的释放曲线，先前尝试使用分配氧的生物材料充氧充满细胞的水凝胶的尝试已经停止。据中国3D打印网了解，为了克服这些限制，研究小组调整了德累斯顿工业大学开发的富含藻类的水凝胶，使其包含更高的纤维素浓度。天然聚合物不仅为科学家的水凝胶提供了完整性，而且最终证明了能够充实他们进行3D打印的组织的能力。
科学家希望他们结合的3D打印和交联方法（如图所示）将构成具有增强的细胞活力的组织支架的基础。图片来自《物质问题》杂志。
哈佛团队的藻类水凝胶
该团队通过将羧甲基纤维素与明胶，PVA和藻酸盐结合在一起，并调整每一种的量来优化墨水的粘度，从而创建了他们的水凝胶。一旦团队确定了理想的混合物，他们便用它来3D打印一系列蜂窝结构，每个蜂窝结构包含七个六角形小叶。
在打印过程中，研究人员创建了一系列六层，十层和二十层的薄纸，这些薄纸形成了3D管状网格状图案。然后，科学家将不同含量的莱茵衣藻光合作用藻类和10％的胎牛血清混合到添加剂构建物中，并观察到令人鼓舞的结果。经过生物印刷的藻类以光合作用的方式释放氧气，从而增强了肝细胞的活力和功能，而不会影响生物油墨的可印刷性。此外，在最后一步中，研究小组添加了纤维素酶以溶解其生物墨水，并发现它留下了挖空的微通道。
用人类血管细胞填充这些腔室，使科学家能够创建肝样组织，这些组织表现出良好的细胞生长并产生天然蛋白质。不包含藻类注入的细胞结构仅能显示70％的存活率，而包含藻类注入的细胞结构则能显示高达92％的存活率。Zhang总结说：“以前没有报道过这样一种逃逸的生物墨水的开发，该墨水可以在单个组织构建物中进行初始的氧合和随后的血管形成。这是成功完成有活力和功能性组织工程的关键一步。”
使用藻类的好处
藻类不仅对人体健康，而且在减少温室气体排放方面也起着一定的作用，其绿色素养日益使它成为3D打印相关研究的主题。荷兰瓦赫宁根大学和西班牙瓦伦西亚大学的科学家已经部署了海藻藻类，以3D打印各种健康谷物小吃。研究小组认为，他们可以自定义藻类食品的形状，质地和颜色，以使其更具吸引力。
在其他地方，来自剑桥大学和圣地亚哥大学圣地亚哥分校的联合团队拥有3D生物打印的模仿珊瑚的结构，能够生长微藻类。通过微调藻类的培养，科学家旨在开发一种减少发展中国家温室气体排放的方法。
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