跳动城乡网弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的一个研究小组开发出了他们认为可以成为按需打印的人体兼容器官的首批构件的模板。
材料科学与工程、化学工程助理教授蔡立恒和他的博士生朱金昌制作了具有可控机械性能的生物材料，其机械性能与各种人体组织相匹配。
“与现有的生物打印技术相比，这是一个巨大的飞跃，”朱说。
他们独特的生物打印方法被称为球形颗粒数字组装。DASP 技术将生物材料颗粒沉积在支撑基质中，两者均为水基，以构建 3D 结构，为细胞生长提供合适的环境。组装过程就是“体素”(像素的 3D 版本)构建 3D 对象的过程。
“我们的新型水凝胶颗粒是我们制造的第一个功能性体素，”朱说。“通过精确控制机械性能，该体素可能成为我们未来打印结构的基本构件之一。”
“例如，通过这种控制水平，我们可以打印类器官，即具有人体组织功能的基于 3D 细胞的模型，以研究疾病进展并寻找治疗方法。”
坚固且对细胞无害
这些颗粒是聚合物水凝胶，通过调整单分子单体的排列和化学键来模拟人体组织，这些单体以链状连接在一起形成网络。
粒子内封装的是真正的人类细胞。
蔡和朱表示，与其他水凝胶生物墨水相比，他们的生物墨水性更小，对细胞的生物相容性更高。他们的“双网络”水凝胶由两个相互交织的分子网络组成，机械强度高，但可高度调节，以模仿人体组织的物理特性。
蔡和朱于 2021 年在《先进功能材料》中首次描述了他们的 DASP 技术。这项工作证明了使用生物材料体素作为构建块的概念，并通过实验室实验证明了一种 DASP 打印材料，其功能类似于胰腺，具有葡萄糖刺激的胰岛素释放。
但 DASP 1.0 只能打印易碎且可调性有限的水凝胶。蔡和朱在《自然通讯》上发表的最新论文中介绍了 DASP 2.0，它引入了使用“点击化学”形成的双网络水凝胶生物墨水，以快速交联或粘合分子结构。
适合该工作的打印机
这项进步的部分原因在于该团队对生物打印机的改进。他们设计了一个多通道喷嘴，可以根据需要混合水凝胶成分。由于交联发生得非常快，从液滴到弹性水膨胀凝胶只需 60 秒，因此无法进行预混合。
在之前的研究中，研究小组确定液滴的形成和从喷嘴的快速分离对于模拟目标人体组织的机械特性(例如弹性或硬度)至关重要。
DASP 通过将大液滴从狭窄而快速移动的喷嘴沉积到基质中并立即使其悬浮来实现这一点。
蔡在 2022 年发表第二篇关于 DASP 的论文时表示：“对粘弹性体素的精确操作代表了软物质科学和 3D 生物打印领域的一项基础挑战和技术挑战。”
“我们现在已经为体素化生物打印奠定了基础，”他说。“一旦全面实现，DASP 的应用将包括人工器官移植、疾病和组织建模以及筛选新药候选药物。而且它可能不会止步于此。”
