科学家生物打印能够控制复杂形状变化的组织样结构

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标准 3D 打印使用数字蓝图用塑料或树脂等材料制造物体，而 3D 生物打印则用活细胞或生物墨水制造生物部件和组织。第四个维度——随时间的形状变换——可以通过结合材料来实现，这些材料使打印的结构能够以预编程或按需方式响应外部信号多次变形。

生物打印 4D 构造为科学家提供了更好地模拟真实组织发育、愈合和正常功能过程中发生的形状变化并制造复杂结构的机会。

科学杂志Advanced Materials上的一项新研究描述了一种新的载有细胞的生物墨水的开发，该生物墨水由紧密堆积的薄片状微凝胶和活细胞组成，用于生物打印 4D 结构。这种新系统能够生产出能够在生理条件下改变形状的富含细胞的生物结构。

这项名为“用于四维活细胞生物打印的堵塞微薄片水凝胶”的研究由伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师撰写，他们创造了生物墨水并进行了原型水凝胶的实验。

他们的实验产生了各种复杂的生物结构，具有明确的配置和高细胞活力，包括 4D 软骨样组织形成。进一步的设计展示了在一次打印中制造的生物构造中复杂的、多个 3D 到 3D 的形状转换。

“这种生物墨水系统提供了打印生物结构的机会，这些生物结构能够随着时间的推移实现比以前更复杂的结构变化。这些富含细胞的结构具有可预编程和可控的形状变形，有望更好地模拟人体的自然发育过程，并可以帮助科学家对组织形态发生进行更准确的研究，并在组织工程方面取得更大的进步，”研究通讯作者 Eben Alsberg、Richard 和 Loan Hill 主席说，他在生物医学工程、机械和工业工程、药理学和再生医学等部门任职，并且骨科。

阿尔斯伯格说，生物墨水以多种方式推进了先前的技术。

“这种生物墨水具有所谓的剪切变稀和快速自愈特性，可以在没有支撑浴的情况下实现基于挤出的平滑打印，具有高分辨率和高保真度。打印的生物结构在通过基于光的交联进一步稳定后，在保持完整的同时——例如——弯曲、扭曲或经历任意数量的多重变形。有了这个系统，可以对随着时间演变的具有复杂形状的软骨样组织进行生物工程，”Alsberg 说。“另一个关键成就是设计了一个系统，该系统能够制造能够进行复杂的 3D 到 3D 形状转换的生物结构。”

“这是第一个满足生物打印 4D 结构苛刻要求的系统：在生物墨水中加载活细胞，能够打印大型复杂结构，在生理条件下触发形状转变，支持长期细胞活力并促进所需的细胞功能，例如组织再生，”UIC 博士后研究员、该论文的第一作者 Aixiang Ding 说。“我们正在努力将该系统转化为组织工程的临床应用，因为可用的供体组织和器官严重短缺。”