計(jì)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(guó)，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(xiàng)工作由史蒂文斯謝弗工程與科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系副教授 Robert Chang 領(lǐng)導(dǎo)，可以隨時(shí)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(zèng)者的情況下創(chuàng)造新的器官來訂購(gòu)和挽救生命將對(duì)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(hào)的《科學(xué)報(bào)告》上。“然而，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)是很棘手的，因?yàn)槭褂?lsquo;生物墨水’——充滿培養(yǎng)細(xì)胞的水凝膠——打印器官需要對(duì)打印的超細(xì)纖維的幾何形狀和尺寸進(jìn)行一定程度的精細(xì)控制，這是目前 3D 打印機(jī)根本無法實(shí)現(xiàn)的。”

Chang 和他的團(tuán)隊(duì)，包括 Chang 實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)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(cè)性，”Zaeri 說。

目前大多數(shù) 3D 生物打印機(jī)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。基于微流體的打印機(jī)可以打印與單細(xì)胞規(guī)模相當(dāng)?shù)臄?shù)十微米量級(jí)的生物對(duì)象。

“規(guī)模非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響器官的生物學(xué)，”Chang 說。“我們?cè)谌祟惣?xì)胞的規(guī)模上運(yùn)作，這讓我們能夠打印出模仿我們?cè)噲D復(fù)制的生物特征的結(jié)構(gòu)。”

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

這很重要，因?yàn)殡m然研究人員已經(jīng)通過鼓勵(lì)組織在 3D 打印支架上生長(zhǎng)來創(chuàng)建簡(jiǎn)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(xì)胞類型。“能夠以這種規(guī)模進(jìn)行操作，同時(shí)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(jìn)行艱苦的研究，以準(zhǔn)確了解不同的工藝參數(shù)(如通道結(jié)構(gòu)、流速和流體動(dòng)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(jiǎn)化這一過程，Chang 的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)微流控打印頭的計(jì)算模型，使他們能夠調(diào)整設(shè)置并預(yù)測(cè)結(jié)果，而無需進(jìn)行費(fèi)力的實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

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