想要3D打印肾脏吗？

人体器官移植为患有严重疾病的人提供了一条至关重要的生命线，但器官太少，无法流通：仅在美国，目前就有超过11.2万人在等待移植。3D打印器官的前景是解决这一短缺的一个可能解决方案，但它充满了复杂性和技术障碍，限制了可以打印的器官类型。研究人员现在正在利用一种已有数十年历史的技术来复制任何类型的组织，从而突破这些障碍。

　　

这项研究由斯蒂文斯大学舍费尔工程与科学学院机械工程系副教授罗伯特·张(Robert Chang)领导，它可以为3D打印任何类型的器官、甚至直接在开放性伤口上打印皮肤开辟道路。

罗伯特·张(Robert Chang)的研究发表在4月号的《科学报告》(Scientific Reports)上，他说:“创造新的器官来订购和拯救生命，而不需要人类捐赠者，这将为医疗保健带来巨大的好处。然而，要达到这个目标并不容易，因为使用生物墨水(充满培养细胞的水凝胶)打印器官，需要对打印出的超细纤维的几何形状和大小进行一定程度的精细控制，而这是目前的3D打印机无法实现的。”

Chang和他的团队，包括Chang实验室的第一作者和博士生候选人Ahmadreza Zaei，希望通过快速跟踪一种新的3D打印工艺来改变这一现状，该工艺使用微流体——通过微小通道精确操纵液体——以比目前可能的小得多的规模进行操作。Zaeri说:“最近的出版物旨在提高由微流控生物打印技术实现的微组织和微纤维结构的可控性和可预测性。”

目前大多数3D生物打印机都是基于挤出技术的，通过喷嘴喷出生物墨水，可以创造出大约200微米的结构——大约是意大利面条的十分之一宽。一种基于微流体的打印机可以打印出数十微米大小的生物物体，与单细胞大小相当。

“规模非常重要，因为它影响着器官的生物学特性，”Chang说。“我们是在人类细胞的规模下操作，这让我们能够打印出模仿我们试图复制的生物特征的结构。”

除了在更小的范围内工作，微流体还能使多种生物墨水(每种都含有不同的细胞和组织前体)在单一的打印结构中互换使用，就像传统打印机将彩色墨水组合成单一生动的图像一样。

这一点很重要，因为尽管研究人员已经通过鼓励组织在3D打印的支架上生长，创造了简单的器官，如膀胱，但更复杂的器官，如肝脏和肾脏，需要许多不同类型的细胞精确组合。“能够在这种规模下操作，同时精确地混合生物墨水，使我们能够复制任何组织类型，”Chang说。

缩小3D生物打印需要艰苦的研究，以准确地弄清楚不同的工艺参数，如通道结构、流速和流体动力学如何影响打印生物结构的几何形状和材料性能。为了简化这一过程，Chang的团队创建了一个微流体打印头的计算模型，使他们能够调整设置和预测结果，而不需要费力的真实世界的实验。

Zaeri说:“我们的计算模型提出了一种公式化的提取方法，可以用来预测从微流控通道挤出的预制结构的各种几何参数。”

该团队的计算模型准确地预测了真实世界微流体实验的结果，Chang正在使用他的模型来指导各种几何形状的生物结构的打印方法的实验。这项研究工作的结果可以用于组合多种细胞类型生物墨水的打印，这种生物墨水可以复制具有梯度几何和组成特性的组织，发现在骨骼和肌肉的交叉点。

Chang还在探索使用微流体驱动的3D打印技术来原位生成皮肤和其他组织，使患者能够将替代组织直接打印到伤口上。他说:“这项技术还很新，我们还不知道它能实现什么功能。但我们知道，它将为创造新的结构和重要的新型生物学打开大门。”

Ahmadreza Zaeri, Ralf Zgeib, Kai Cao, Fucheng Zhang, Robert C. Chang. Numerical analysis on the effects of microfluidic-based bioprinting parameters on the microfiber geometrical outcomes. Scientific Reports, 2022; 12 (1)