《Nature communications》：高通量生物3D打印球状体用于可扩展组织制造
研究概述
模拟器官特异性结构和功能的组织生物制造需要生理相关的细胞密度。使用球状体的生物3D打印可以实现这一目标，但由于缺乏实用的可扩展技术，因此受到限制。宾夕法尼亚州立大学的金明焕教授及其团队的研究《High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication》（IF:14.7）提出了 HITS-Bio（用于生物3D打印的高通量集成组织制造系统），这是一种多阵列生物3D打印技术，用于使用数控喷嘴阵列 （DCNA） 同时快速定位多个球状体。HITS-Bio 实现了前所未有的速度，与现有技术相比快了 10 倍，同时保持了高细胞活力 （> 90%）。HITS-Bio 的实用性在多种应用中得到了体现，包括使用 microRNA 转染的人脂肪来源干细胞球状体进行术中生物3D打印，用于颅骨再生 （ ~ 30 mm3） 在大鼠模型中实现近乎完全的缺损闭合（3 周内骨覆盖面积为 ~91%，6 周内为 ~96%）。此外，成功制造了可扩展的软骨结构 （1 cm3） 包含 ~600 个软骨形成球状体，突出了其高通量效率（每个构建体低于 40 分钟）和修复体积缺陷的潜力。
名词解释：
球状体 (spheroids)：是指由细胞组成的集合体，其形状近似球形。它们可以是自然形成的，也可以是人为构建的。球状体在组织工程和再生医学中具有重要应用，因为它们能够模拟体内组织的结构和功能。
生物3D打印在本研究中的作用
HITS-Bio 通过生物3D打印技术将球状体精确地放置在凝胶基底上，实现了具有特定结构和功能的组织的制造，从而提高了细胞密度，加速了制造速度，并保持了高细胞活力。
主要内容
HITS-Bio 工作机制
HITS-Bio 利用数字控制喷嘴阵列 (DCNA) 平台，实现了高通量生物3D打印。DCNA 能够同时吸取多个球状体并将其放置在凝胶基板上，从而实现了前所未有的打印速度，比现有技术快一个数量级，同时保持高细胞活力 (>90%)。通过优化喷嘴间距和液体表面张力，DCNA 平台能够同时打印多个球状体，从而将打印速度与使用的喷嘴数量成比例提高。HITS-Bio 平台具有软件控制、DCNA、兼容的生物墨水 (BONink 和 CARink) 和 miRNA 转染的成骨和成软骨球状体等四个关键组成部分。该平台可以用于骨和软骨等组织的生物3D打印，并通过 miRNA 转染促进细胞分化，提高打印组织的功能。
HITS-Bio 工艺示意图
生物墨水的体外开发和表征
为了支持球状体在生物3D打印过程中的组装，研究人员开发了一种创新的生物墨水，类似于可塑的“水泥基板”。生物墨水由明胶甲叉丙烯酸 (GM) 作为基础聚合物，β-甘油磷酸二钠水合物 (β-GP) 和纳米羟基磷灰石 (HA) 用于增强骨传导性，β-甘油磷酸二钠水合物 (β-GP) 用于热凝胶化。透明质酸钠盐 (HyA) 用于改善细胞粘附和增殖，纤维蛋白原用于促进细胞-基质相互作用，锂苯 (2,4,6-三甲基苯甲酰) 磷酸酯 (LAP) 作为光引发剂，以实现光诱导交联，确保生物墨水的结构完整性和稳定性。通过优化生物墨水的成分比例，研究人员制备了骨墨水 (BONink) 和软骨墨水 (CARink)，用于骨和软骨组织的生物3D打印。
生物墨水的体外表征
骨再生手术中骨重建的术中生物3D打印
HITS-Bio 在大鼠颅骨骨再生手术中展示了其应用潜力。研究人员使用 BONink 作为生物墨水，并将 miRNA 转染的成骨细胞球状体通过 HITS-Bio 术中打印到颅骨缺损处。结果表明，高密度球状体组在 6 周内几乎完全闭合缺损，骨再生效果显著优于其他组。µCT 扫描显示，球状体组骨体积/总骨体积 (BV/TV) 和骨密度 (BMD) 明显高于 BONink 组和空白组。力学测试也表明，高密度球状体组的剪切屈服强度和弹性模量显著高于其他组。组织学分析证实，高密度球状体组形成了致密的、未成熟的骨组织，并表现出积极的骨愈合和矿物质沉积的特征。
骨构建体的 IOB 转化为临界大小的大鼠颅骨缺损以进行骨再生
可扩展软骨组织的制造
HITS-Bio 还展示了其在制造可扩展软骨组织方面的潜力。研究人员使用 CARink 作为生物墨水，并使用 miRNA 转染的成软骨细胞球状体通过 HITS-Bio 打印，构建了体积为 1 cm³ 的可扩展软骨组织。每个组织包含 9 层组织，每层包含约 64 个球状体，总共有 576 个球状体，整个打印过程不到 40 分钟。细胞活力检测表明，转染和打印过程没有损害球状体的活力。组织学分析显示，转染的球状体表现出更高的 ECM 沉积量和特征性的多孔结构，表明 HITS-Bio 可以快速有效地打印软骨组织。
用于可伸缩软骨组织（SCT） 制造的 HITS-Bio
总结
HITS-Bio 是一种高效的生物3D打印平台，有望彻底改变组织工程和再生医学领域。通过其独特的数字控制的喷嘴阵列（DCNA）技术，HITS-Bio 能够以前所未有的速度和精度打印大量细胞球状体，为制造具有生理相关细胞密度和复杂结构的功能性组织提供了可能性。该平台在颅骨骨再生和可扩展软骨构建方面的成功应用，为其在临床手术中实时打印个性化组织构建物的潜力提供了强有力的证据。未来，HITS-Bio 可能在构建具有血管网络的复杂器官和组织模型方面发挥关键作用，为器官移植和疾病建模开辟新的途径。
文献原文：10.1038/s41467-023-38838-2
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38838-2
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