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Chem. Rev. 清華徐弢教授團隊首次提出活體噴墨生物3D打印中“生物像素”的概念

來源:清華大學(xué)      2020-09-22
導(dǎo)讀:近年來,生物3D打印技術(shù),特別是細胞、組織以及器官等活體的打印在醫(yī)學(xué)、生物與工程各界引起廣泛關(guān)注。噴墨打印技術(shù)首先在細胞3D打印中應(yīng)用并逐步發(fā)展,涌現(xiàn)出大量革新性成果,對基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化等方面產(chǎn)生重大影響,現(xiàn)已成為生物3D打印的三大代表性技術(shù)之一。日前,清華大學(xué)機械系生物制造中心教授徐弢首次提出活體噴墨打印中“生物像素”的概念。

“Inkjet Bioprinting of Biomaterials”(生物材料噴墨打印技術(shù))為徐弢教授團隊近日在國際期刊《Chemical Reviews》(化學(xué)評論)上發(fā)表的綜述文章。該文全面系統(tǒng)地介紹了噴墨生物3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究進展,并就該技術(shù)存在的挑戰(zhàn)進行了分析與討論,同時提出了未來可能的發(fā)展方向。

噴墨技術(shù)起源于十九世紀末,最早被應(yīng)用于印刷出版業(yè)。因其具備高通量、高分辨率、非接觸和按需打印等特點,越來越多的研究者開始發(fā)掘這項技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用價值。步入二十一世紀后,由于噴墨生物打印技術(shù)的快速發(fā)展及其影響力的日益提升,對噴墨生物打印重要進展進行系統(tǒng)性總結(jié)具有必要性。

圖1  典型噴墨打印生物材料及應(yīng)用

該文簡要介紹了噴墨技術(shù)的發(fā)展歷史、技術(shù)原理與技術(shù)特點。隨后,根據(jù)打印對象生物活性的逐漸提升,文章按打印純材料、生物大分子(蛋白質(zhì)、DNA)、細胞的順序展開介紹,歸納總結(jié)了噴墨打印在這些領(lǐng)域的研究進展與代表性應(yīng)用。在文章的討論部分,針對噴墨生物打印技術(shù)現(xiàn)存的瓶頸與挑戰(zhàn),從材料、技術(shù)、策略與設(shè)備四個角度給出了可能的解決方案。

高分辨率是噴墨打印的重要特點, 受彩色印刷像素概念的啟發(fā),文章首次提出了生物像素的概念:將人體內(nèi)四大組織(神經(jīng)、上皮、肌肉、結(jié)締)來源的祖細胞定義為細胞三維打印的“生物像素”。根據(jù)給定位置信息,將“生物像素”按不同數(shù)量比例進行打印組裝并誘導(dǎo)分化,即可形成不同組織與器官。且單位體積內(nèi)“生物像素”的含量越高,細胞間聯(lián)系越充分,協(xié)同作用越強,即“分辨率”越高。此外,組成DNA分子的四個堿基(A, T, C, G)可歸納為用于DNA制造的“生物像素”:通過噴墨打印技術(shù)將不同的堿基對按照不同的次序排列,即可根據(jù)需要定制不同長度和序列的DNA鏈,以此構(gòu)建信息存儲的生物載體。這一概念的提出,為噴墨打印構(gòu)建組織與器官提供了一種更本質(zhì)的闡述,有望更全面地指導(dǎo)活體打印設(shè)計、仿生結(jié)構(gòu)成形和生物功能實現(xiàn);同時亦可為噴墨打印技術(shù)在信息存儲領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。該文還展望了面向功能化組織/器官制造的4D噴墨生物打印技術(shù),并描繪了生物3D打印發(fā)展路線圖。

圖2  傳統(tǒng)印刷像素和“生物像素”類比示意圖

圖3  生物3D打印的發(fā)展路徑圖

論文通訊作者徐弢教授來自機械系生物制造中心團隊,他從2001年開始從事噴墨生物打印技術(shù)研究,是國際上最早進行細胞和器官打印技術(shù)開發(fā)的研究者之一,擁有世界首個細胞打印專利并作為第一作者發(fā)表首篇細胞噴墨打印論文。該論文被美國科學(xué)雜志作為重大技術(shù)突破進行專題報道(Science,2004年9月24日,第1895頁)。美國著名的《Business 2.0》(商業(yè)2.0)雜志將細胞及器官打印技術(shù)評為21世紀改變世界的六大技術(shù)之一(2003年5月刊)?;谇捌诠ぷ髫暙I,徐弢教授應(yīng)《Chemical Reviews》(化學(xué)評論)編輯部邀請撰寫本文,旨在促進對噴墨生物打印技術(shù)的重新思考和全面理解,推動該技術(shù)在藥物開發(fā)、生物制造、組織工程、信息存儲等領(lǐng)域進一步融合應(yīng)用。徐弢教授指導(dǎo)的機械系博士生李欣達、清華-伯克利深圳學(xué)院博士生劉博勛為該論文共同第一作者。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c00008


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