計算模型旨在加速微流體生物打印

人體器官移植為重病患者提供了一條至關(guān)重要的生命線，但可供移植的器官太少：僅在美國，目前就有超過 112,000 人在等待移植。3D 打印器官的前景是解決這一短缺的一種可能解決方案，但它充滿了復(fù)雜性和技術(shù)障礙，限制了可以打印的器官類型。史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在正在通過利用幾十年前的技術(shù)來復(fù)制任何組織類型來克服這些障礙。

這項工作由史蒂文斯謝弗工程與科學(xué)學(xué)院機械工程系副教授 Robert Chang 領(lǐng)導(dǎo)，可以隨時為 3D 打印任何類型的器官開辟途徑，甚至直接在開放性傷口上打印皮膚。

“在不需要人類捐贈者的情況下創(chuàng)造新的器官來訂購和挽救生命將對醫(yī)療保健帶來巨大的好處，”Robert Chang 說，他的工作發(fā)表在 4 月號的《科學(xué)報告》上。“然而，達到這個目標是很棘手的，因為使用‘生物墨水’——充滿培養(yǎng)細胞的水凝膠——打印器官需要對打印的超細纖維的幾何形狀和尺寸進行一定程度的精細控制，這是目前 3D 打印機根本無法實現(xiàn)的。”

Chang 和他的團隊，包括 Chang 實驗室的第一作者和博士生 Ahmadreza Zaei，希望通過快速跟蹤一種新的 3D 打印工藝來改變這種狀況，該工藝使用微流體——通過微小通道精確操縱液體——在更小的空間內(nèi)運行規(guī)模超出了可能。“最近的出版物旨在提高通過微流體生物打印技術(shù)實現(xiàn)的制造微組織和微纖維結(jié)構(gòu)的可控性和可預(yù)測性，”Zaeri 說。

目前大多數(shù) 3D 生物打印機都是基于擠壓的，從噴嘴中噴出生物墨水以創(chuàng)建大約 200 微米的結(jié)構(gòu)——大約是面條的十分之一寬?；谖⒘黧w的打印機可以打印與單細胞規(guī)模相當(dāng)?shù)臄?shù)十微米量級的生物對象。

“規(guī)模非常重要，因為它會影響器官的生物學(xué)，”Chang 說。“我們在人類細胞的規(guī)模上運作，這讓我們能夠打印出模仿我們試圖復(fù)制的生物特征的結(jié)構(gòu)。”

除了在較小的規(guī)模上運行外，微流體還可以使多種生物墨水(每種包含不同的細胞和組織前體)在單個打印結(jié)構(gòu)中互換使用，這與傳統(tǒng)打印機將彩色墨水組合成單個生動圖像的方式非常相似.

這很重要，因為雖然研究人員已經(jīng)通過鼓勵組織在 3D 打印支架上生長來創(chuàng)建簡單的器官，如膀胱，但更復(fù)雜的器官，如肝臟和腎臟，需要精確組合許多不同的細胞類型。“能夠以這種規(guī)模進行操作，同時精確混合生物墨水，使我們能夠復(fù)制任何組織類型，”Chang 說。

縮小 3D 生物打印需要進行艱苦的研究，以準確了解不同的工藝參數(shù)(如通道結(jié)構(gòu)、流速和流體動力學(xué))如何影響打印的生物結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。為了簡化這一過程，Chang 的團隊創(chuàng)建了一個微流控打印頭的計算模型，使他們能夠調(diào)整設(shè)置并預(yù)測結(jié)果，而無需進行費力的實際實驗。

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