來(lái)自全球大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)院的研究人員和科學(xué)家聚集在一起，為3D生物打印領(lǐng)域制定了發(fā)展路線(xiàn)圖，并在《生物制造》雜志上發(fā)表了論文。這篇論文詳細(xì)介紹了生物打印的現(xiàn)狀、該技術(shù)在特定應(yīng)用中的最新進(jìn)展以及當(dāng)前的發(fā)展和挑戰(zhàn)。它還預(yù)想了該技術(shù)在未來(lái)如何改進(jìn)，并詳細(xì)介紹了特定路線(xiàn)圖的研究方向。
每個(gè)論文作者都從事著生物印刷領(lǐng)域不同主題的工作，以專(zhuān)注于研究。這些主題涉及從細(xì)胞擴(kuò)增和新型生物墨水開(kāi)發(fā)到細(xì)胞/干細(xì)胞印刷，從基于類(lèi)器官的組織到人體規(guī)模組織結(jié)構(gòu)的生物印刷，以及從構(gòu)建細(xì)胞/組織/單體器官到生物制造、多細(xì)胞工程化的活體等方面。
作者在解釋生物3D打印路線(xiàn)圖的必要性時(shí)，在論文摘要中解釋說(shuō)：“生物印刷技術(shù)方法論正在迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，但該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向尚不明確。此生物印刷路線(xiàn)圖通過(guò)提供全面的摘要和建議，來(lái)解決這一迫切的需求，這些摘要和建議對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的研究人員和該領(lǐng)域的新手都有指導(dǎo)作用?！?/span>
在論文的引言中，費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)和中國(guó)清華大學(xué)工程學(xué)院的客座教授孫偉解釋了一般生物打印必須克服的挑戰(zhàn)。這些工作圍繞著新一代生物墨水的創(chuàng)建而展開(kāi)，這些生物墨水能夠更好地為細(xì)胞起到輸送、保護(hù)和促進(jìn)生長(zhǎng)作用。改進(jìn)生物印刷工藝、有效交聯(lián)、與微流體設(shè)備集成，為培養(yǎng)生物3D打印模型提供了長(zhǎng)期的模擬生理環(huán)境。
論文的第一部分“從細(xì)胞擴(kuò)增到細(xì)胞3D打印”，討論了細(xì)胞擴(kuò)增在生物打印過(guò)程中的重要性。報(bào)告指出，需要改進(jìn)基于生物反應(yīng)器的細(xì)胞擴(kuò)增系統(tǒng)，以提高生物醫(yī)學(xué)在再生醫(yī)學(xué)和人工組織領(lǐng)域的采用率?；谏锓磻?yīng)器的系統(tǒng)，相比利用平板培養(yǎng)方式的傳統(tǒng)方法能夠更快地?cái)U(kuò)增細(xì)胞。
接下來(lái)，作者還研究了對(duì)生物打印過(guò)程至關(guān)重要的生物墨水。盡管在用于生物印刷的生物墨水工程學(xué)方面取得了重大進(jìn)展，但該論文指出，仍然需要大量的工作以提升細(xì)胞在微環(huán)境中的封裝程度，從而改善天然組織、器官的復(fù)制及其復(fù)雜性。
論文涉及的另一個(gè)主題是干細(xì)胞的生物打印。研究人員稱(chēng)，由于其作為細(xì)胞源的強(qiáng)大可再生性，以及在人體內(nèi)分化和成熟為多種細(xì)胞類(lèi)型的潛力，這一領(lǐng)域保持了“對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用的巨大希望”。但是，在實(shí)發(fā)掘干細(xì)胞生物打印的全部潛力之前，仍有許多障礙和挑戰(zhàn)需要克服。這些障礙概括為三個(gè)方面：物理印刷效應(yīng)對(duì)干細(xì)胞生物印刷的影響；生物墨水的特性；以及3D培養(yǎng)的干細(xì)胞的生物學(xué)挑戰(zhàn)。最近，多倫多大學(xué)（UoT）和森尼布魯克健康科學(xué)中心的研究人員開(kāi)發(fā)了一種能夠可以治愈燒傷創(chuàng)面的干細(xì)胞生物3D打印紙。
論文繼續(xù)討論“大規(guī)模有效地生產(chǎn)類(lèi)器官或細(xì)胞聚集體”。類(lèi)器官是有用的，因?yàn)樗鼈冇行У啬７铝梭w內(nèi)組織或器官的生理微觀(guān)結(jié)構(gòu)。大規(guī)模生產(chǎn)類(lèi)器官的一個(gè)重大障礙是生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)困難。
研究人員還探索了3D打印的生物雜交組織，作為研究疾病的體外生物學(xué)模型。3D生物打印通過(guò)使組織具有精確的細(xì)胞空間排列，從而具有創(chuàng)造更好的疾病模型的潛力。體內(nèi)組織的許多功能不可或缺，但用于評(píng)估藥物反應(yīng)時(shí)，卻無(wú)法在生物打印中成功復(fù)制。這包括多層屏障功能以控制外用藥物的透皮遞送；而研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)創(chuàng)建3D打印的生物雜交組織來(lái)復(fù)制這種功能，從而更好地進(jìn)行藥物試驗(yàn)。
除了進(jìn)一步探索組織合成、單片器官發(fā)育和多細(xì)胞工程化的生活系統(tǒng)外，該論文還研究了外層空間的生物打印。多虧了微重力，在太空進(jìn)行生物打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)造了具有更多流體形狀、生物相容性的生物膜3D打印結(jié)構(gòu)。此外，微重力條件允許對(duì)更復(fù)雜幾何形狀（如空隙、空腔和孔道）的組織和器官構(gòu)造進(jìn)行3D生物打印。
美國(guó)、歐盟、俄羅斯和中國(guó)的數(shù)個(gè)研究小組和公司已經(jīng)在探索這種努力，他們正在積極準(zhǔn)備在太空進(jìn)行生物打印所需的研究設(shè)施和設(shè)備。例如，3D生物制造設(shè)施已經(jīng)在國(guó)際空間站（ISS）上開(kāi)始試驗(yàn)。包含用于生物制造設(shè)施的3D打印耗材的有效載荷，已經(jīng)運(yùn)送到國(guó)際空間站用于保存人體細(xì)胞、生物墨水和新的3D打印陶瓷流體歧管的樣品，以代替以前使用的打印聚合物材料。3D生物打印解決方案俄羅斯生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室也將其磁性3D生物打印機(jī)Organ.Aut安裝在國(guó)際空間站上。該公司最近能夠在零重力下對(duì)骨骼組織進(jìn)行生物3D打印。
每個(gè)論文作者都從事著生物印刷領(lǐng)域不同主題的工作，以專(zhuān)注于研究。這些主題涉及從細(xì)胞擴(kuò)增和新型生物墨水開(kāi)發(fā)到細(xì)胞/干細(xì)胞印刷，從基于類(lèi)器官的組織到人體規(guī)模組織結(jié)構(gòu)的生物印刷，以及從構(gòu)建細(xì)胞/組織/單體器官到生物制造、多細(xì)胞工程化的活體等方面。
作者在解釋生物3D打印路線(xiàn)圖的必要性時(shí)，在論文摘要中解釋說(shuō)：“生物印刷技術(shù)方法論正在迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，但該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向尚不明確。此生物印刷路線(xiàn)圖通過(guò)提供全面的摘要和建議，來(lái)解決這一迫切的需求，這些摘要和建議對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的研究人員和該領(lǐng)域的新手都有指導(dǎo)作用?！?/span>
圖片說(shuō)明生物打印技術(shù)的進(jìn)步 圖源 Biofabrication
在論文的引言中，費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)和中國(guó)清華大學(xué)工程學(xué)院的客座教授孫偉解釋了一般生物打印必須克服的挑戰(zhàn)。這些工作圍繞著新一代生物墨水的創(chuàng)建而展開(kāi)，這些生物墨水能夠更好地為細(xì)胞起到輸送、保護(hù)和促進(jìn)生長(zhǎng)作用。改進(jìn)生物印刷工藝、有效交聯(lián)、與微流體設(shè)備集成，為培養(yǎng)生物3D打印模型提供了長(zhǎng)期的模擬生理環(huán)境。
論文的第一部分“從細(xì)胞擴(kuò)增到細(xì)胞3D打印”，討論了細(xì)胞擴(kuò)增在生物打印過(guò)程中的重要性。報(bào)告指出，需要改進(jìn)基于生物反應(yīng)器的細(xì)胞擴(kuò)增系統(tǒng)，以提高生物醫(yī)學(xué)在再生醫(yī)學(xué)和人工組織領(lǐng)域的采用率?；谏锓磻?yīng)器的系統(tǒng)，相比利用平板培養(yǎng)方式的傳統(tǒng)方法能夠更快地?cái)U(kuò)增細(xì)胞。
圖片說(shuō)明用于生物印刷的生物油墨
接下來(lái)，作者還研究了對(duì)生物打印過(guò)程至關(guān)重要的生物墨水。盡管在用于生物印刷的生物墨水工程學(xué)方面取得了重大進(jìn)展，但該論文指出，仍然需要大量的工作以提升細(xì)胞在微環(huán)境中的封裝程度，從而改善天然組織、器官的復(fù)制及其復(fù)雜性。
論文涉及的另一個(gè)主題是干細(xì)胞的生物打印。研究人員稱(chēng)，由于其作為細(xì)胞源的強(qiáng)大可再生性，以及在人體內(nèi)分化和成熟為多種細(xì)胞類(lèi)型的潛力，這一領(lǐng)域保持了“對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用的巨大希望”。但是，在實(shí)發(fā)掘干細(xì)胞生物打印的全部潛力之前，仍有許多障礙和挑戰(zhàn)需要克服。這些障礙概括為三個(gè)方面：物理印刷效應(yīng)對(duì)干細(xì)胞生物印刷的影響；生物墨水的特性；以及3D培養(yǎng)的干細(xì)胞的生物學(xué)挑戰(zhàn)。最近，多倫多大學(xué)（UoT）和森尼布魯克健康科學(xué)中心的研究人員開(kāi)發(fā)了一種能夠可以治愈燒傷創(chuàng)面的干細(xì)胞生物3D打印紙。
手持式3D生物打印機(jī)
論文繼續(xù)討論“大規(guī)模有效地生產(chǎn)類(lèi)器官或細(xì)胞聚集體”。類(lèi)器官是有用的，因?yàn)樗鼈冇行У啬７铝梭w內(nèi)組織或器官的生理微觀(guān)結(jié)構(gòu)。大規(guī)模生產(chǎn)類(lèi)器官的一個(gè)重大障礙是生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)困難。
研究人員還探索了3D打印的生物雜交組織，作為研究疾病的體外生物學(xué)模型。3D生物打印通過(guò)使組織具有精確的細(xì)胞空間排列，從而具有創(chuàng)造更好的疾病模型的潛力。體內(nèi)組織的許多功能不可或缺，但用于評(píng)估藥物反應(yīng)時(shí)，卻無(wú)法在生物打印中成功復(fù)制。這包括多層屏障功能以控制外用藥物的透皮遞送；而研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)創(chuàng)建3D打印的生物雜交組織來(lái)復(fù)制這種功能，從而更好地進(jìn)行藥物試驗(yàn)。
除了進(jìn)一步探索組織合成、單片器官發(fā)育和多細(xì)胞工程化的生活系統(tǒng)外，該論文還研究了外層空間的生物打印。多虧了微重力，在太空進(jìn)行生物打印的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)造了具有更多流體形狀、生物相容性的生物膜3D打印結(jié)構(gòu)。此外，微重力條件允許對(duì)更復(fù)雜幾何形狀（如空隙、空腔和孔道）的組織和器官構(gòu)造進(jìn)行3D生物打印。
宇航員Christina Koch在國(guó)際空間站上進(jìn)行生物打印試驗(yàn)
美國(guó)、歐盟、俄羅斯和中國(guó)的數(shù)個(gè)研究小組和公司已經(jīng)在探索這種努力，他們正在積極準(zhǔn)備在太空進(jìn)行生物打印所需的研究設(shè)施和設(shè)備。例如，3D生物制造設(shè)施已經(jīng)在國(guó)際空間站（ISS）上開(kāi)始試驗(yàn)。包含用于生物制造設(shè)施的3D打印耗材的有效載荷，已經(jīng)運(yùn)送到國(guó)際空間站用于保存人體細(xì)胞、生物墨水和新的3D打印陶瓷流體歧管的樣品，以代替以前使用的打印聚合物材料。3D生物打印解決方案俄羅斯生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室也將其磁性3D生物打印機(jī)Organ.Aut安裝在國(guó)際空間站上。該公司最近能夠在零重力下對(duì)骨骼組織進(jìn)行生物3D打印。
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