以3D打印机为绘图仪：实现自动化复杂划痕实验的标准化伤口愈合分析新方法

《iScience》：Scratching in style: 3D printers as plotters for automated and complex wound-healing assays

本研究针对传统划痕实验存在标准化程度低、几何形状单一等问题，开发了一种基于商用3D打印机的开源系统ASAPR。该系统可将3D打印机改造为2D绘图仪，在不同规格培养板上生成单线、网格、圆形及复杂矢量图形等多种标准化划痕。验证结果显示划痕几何尺寸变异系数仅为1.61%，显著优于手动操作的15.91%。该技术为细胞迁移研究提供了低成本、高重复性的标准化平台，特别适用于迁移相关蛋白表达分析等深入研究场景。

　　

在生物医学研究领域，二维细胞迁移分析是理解伤口愈合、癌症转移等关键生理病理过程的重要手段。其中，划痕实验（scratch assay）因其操作简便、成本低廉而备受青睐，研究人员通过划除单层细胞形成人工"伤口"，观察细胞迁移填补空缺的过程。然而传统手动操作存在明显局限：划痕宽度和直线度变异系数高达8%-17%，不同实验组间难以直接比较；且通常只能生成单一线性划痕，无法实现复杂图案或高通量筛选。

面对这些技术瓶颈，来自德国格赖夫斯瓦尔德大学医学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向了日益普及的3D打印技术。在《iScience》发表的这项创新研究中，他们开发了名为ASAPR（Advanced Scratch Assay Plotting Robot）的开源系统，巧妙地将3D打印机改造为高精度细胞"绘图仪"，为细胞迁移研究带来了革命性突破。

研究团队采用的核心技术方法包括：硬件改装（弹簧测试探针替代打印头，定制培养板固定架）、G代码生成程序开发（支持多种图案模式）、系统校准流程优化，并在胶质母细胞瘤细胞系LN-18和原代GBM细胞上验证了系统性能，通过细胞染色、蛋白质印迹、ELISA和实时PCR等技术分析了迁移相关标志物。

单划痕重现性验证

研究人员首先验证了ASAPR生成单一直线划痕的稳定性。在三块24孔板中共生成72个技术重复划痕，结果显示伤口面积和宽度的变异系数仅为1.61%，显著优于手动操作的15.91%。不同行列间的划痕宽度无显著差异，证明了系统在整个培养板范围内的稳定性。

不同打印机间差异评估

比较Snapmaker A350和Prusa MK3S+两种打印机性能发现，虽然线性导轨升级的Prusa打印机划痕直线度略优（标准差14.13μm vs 18.29μm），但平均宽度差异仅4.68%，表明不同打印机均可获得稳定结果，验证了方法的普适性。

复杂二维形状验证

研究团队通过矢量图形文件实现了迷宫等复杂图案的划痕生成，细胞游离区域变异系数为1.51%。这种复杂图案为研究划痕形态本身对迁移行为的影响提供了新可能，这是手动操作完全无法实现的。

迁移相关蛋白和细胞因子诱导

通过"网格"图案（16条平行划痕）刺激几乎全部细胞参与迁移，发现划痕组细胞IL-6分泌量显著增加，LN-18和原代GBM细胞中CD44和N-钙黏蛋白（N-cadherin）表达均显著上调，而基质金属蛋白酶2（MMP2）变化不显著，提示在二维迁移模型中MMP2可能不是主要应答因子。

深入迁移分析

通过将网格旋转90°形成"岛屿"图案，实现了数百个独立迁移单元的同步观察。在含10%胎牛血清（FCS）与无血清条件下的对比实验中，发现迁移相关标志物表达谱存在差异，如CD44表达上调而HMMR轻微下调，这种全视野观察为迁移机制研究提供了更全面的视角。

研究讨论部分强调了几个关键优化因素：细胞密度接近100%、短时间培养（≤24小时）以减少细胞间连接、高划痕速度（≥100mm/s）利用细胞惯性、双划痕循环确保边缘整齐。弹簧测试探针的应用解决了培养底面不平整导致的压力不均问题，而开源设计使系统具备持续改进潜力。

该研究的创新价值不仅在于技术本身，更在于其开创的科研范式——利用普及率高的3D打印机实现专业研究设备的低成本替代。ASAPR系统克服了商业划痕仪（约12，000美元）的高成本限制，突破了手动操作的不稳定性，为细胞迁移研究提供了标准化、可定制的高效平台。未来与活细胞成像、三维基质等技术的结合，有望在更接近生理状态的条件下揭示细胞迁移的奥秘。