哈佛教授研发冷冻生物打印让生物组织储存较长时间

生物3D打印作为一项新兴技术，越来越受到生物技术专家等的青睐。其打印机理通常是是通过逐层堆积的方式来构建复杂的实体生物组织。该技术因设计灵活、个性化定制等优势而广泛应用于生物医学工程和再生医学领域中，具有十分广阔的应用前景。

提到生物打印，和日常打印类似，也需要打印“墨水”，但是这里的墨水来源于活性细胞和生物材料。我们知道，细胞的生存需要一定的微环境，因此，这里存放的“生物墨水”就需要设计出便于生物打印和储存期间有效保存细胞的组件。

而随着新材料和微纳米技术的发展，这种组件的设计拥有了更加灵活和多样的性能，以至于细胞在更加极端恶例的环境下依然能够生存，其中最引人注目的技术之一就是低温生物打印技术。

哈佛大学医学院张宇教授专注于创新生物医学工程技术，包括生物3D打印、器官芯片、微流控、生物分析等，以重建功能化組织及其仿生模型。其课题组在多本期刊上发表论文260余篇。

近日，张宇教授团队在Matter报道了一种非常规的生物打印技术， 称为冷冻生物打印，利用生物打印和低温保存方法协同，通过使用新型打印装置和生物墨水，打印的生物组织可以被储存较长时间，并在需要时进行解冻/交联以及复苏后的培养和使用。该技术的研发有望扩展生物打印的应用，如可储存的生物组织和组织模型，以便可以随时运送到所需的地点。该研究成果以“Freeformcell-laden cryobioprinting for shelf-ready tissuefabrication and storage”为题。

生物在3D打印的组织结构的制作和存储方面存在挑战。一方面，大多数生物打印技术，如广泛使用的挤出式生物打印，它们的缺点是较为复杂的打印过程，因此该制造技术在许多环境下难以实现。另一方面，由于缺乏长期储存细胞的功能性设计，所以预先打印的生物组织产品无法实现较高的现货率。

结合先进生物制造技术和储存方法（如生物打印和低温保存）是解决上述障碍的一个潜在的解决方案。由此，生物打印的组织可以提前在非现场制备，允许在低温条件下直接存储，以供以后的实验室或临床使用。但是这种方法存在一个挑战，那就是要解决冰晶的形成和再结晶等可能会对所制备组织的细胞活性产生负面影响。

为了解决这个挑战，生物墨水的设计十分重要，以便在生物打印和冷冻储存/复苏期间有效保存细胞。研究表明，冷冻保护剂在消除或减少冰晶形成中有关键作用。在没有冷冻保护剂的情况下，冰晶会大量快速生长，从而破坏细胞膜而危害细胞的生存能力。

二甲基亚砜是一种传统的冷冻保护剂，广泛用于低温保存，以减少冰晶的形成。此外，分子量较大的冷冻保护剂可以保护细胞免受细胞外高渗造成的渗透损伤。如各种二糖如蔗糖、海藻糖、乳糖、和麦芽糖，以及三糖如麦芽糖和棉子糖等，都显示出良好的低温保护作用。

此外，软材料，特别是文中所用的水凝胶材料，其构成的3D网络结构可以进一步减少冰晶的形成，从而为细胞提供一个固有的物理低温保护微环境，即含有冷冻保护剂的细胞负载水凝胶支架提供了良好的低温保存环境，从而在复活后具有较高的细胞活力和细胞功能。

文中强调的设计，是一种同时进行生物3 D打印和低温保存细胞承载组织构建的方法。简单来说，就是通过设计一个冷冻板，其在打印过程中可以允许精确的温度控制，从而在低温可控条件利用含有冷冻保护剂和活细胞的生物墨水打印生物组织。具体如下图，该装置里，载细胞生物墨水在严格控制温度的冷冻板上进行低温生物打印，并在低温条件下长期保存。在随后的培养之前，低温生物打印的结构可以运输至需要的地点进行复苏和交联，以及随后的使用。

随后，为了进一步验证这项技术，该团队利用间充质干细胞成骨、成脂和成软骨分化后细胞的功能性来考察打印后生物组织的存活、增殖和分化能力。有趣的是，该设计证明了冷冻生物打印的细胞载体可以有效保证细胞的存活率和功能性。除此之外，该研究也核实了低温生物打印的组织能够维持其诱导血管生成的能力，从而说明了此类设计没有对细胞或者生长因子造成损害。

该研究重要的亮点就是设计了一个用于构建低温条件的冷冻板，这是保证细胞活性微环境的关键组件，同时，该装备也会保存细胞、保证生物打印组织的功能和表面细胞的生存提供了有效性，为骨组织工程或者细胞组织模型打开了一个崭新的创新之路。

基于该研究，人们可以想象，细胞在此微环境下能够生存并且可以通过该设计打印特定的生物组织和器官，并保证了组织细胞的增殖和分化能力，这种创新设计可对于任何医院，任何一个病人来说，都可以说是福音，因为它可以为患者量身定制一个具有活性细胞载体的组织和器官，并且可以提前制备和储存以备不时之需，对于提高患者的生存和组织修复等都是莫大的帮助;当然，对于体外组织模型的可转运性和现货率亦有很大的提高。