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種新型適用于太空的生物打印設備

MEMS ? 來源:網絡整理 ? 2024-01-11 09:55 ? 次閱讀
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太空三維(3D)生物打印技術有助于構建精確的仿生腫瘤模型,可用于評估空間環境對腫瘤的復合效應,從而深入了解疾病的原理和潛在的治療方法。目前太空3D生物打印面臨一些困難,如發射前的不確定性、液體可能泄漏、太空中如何長期培養、設備自動控制、數據采集和傳輸等。

近日,來自清華大學的熊卓、張婷和方永聰教授團隊進行了基于衛星在軌打印3D腫瘤模型的相關研究。該研究開發了一種結構強度高、體積小(220mm×250mm×150mm)、重量輕(< 6 kg)的新型太空3D生物打印設備(圖1)。基于微凝膠的雙相熱敏(MBT)生物墨水和懸浮介質,具有優異的存儲性能和抗泄漏性,可適應潛在的發射延遲和振動,從而支持復雜腫瘤模型的在軌打印和原位培養。此外,該研究還開發了一種智能控制算法,能夠自動控制3D打印、自動對焦、熒光成像和數據地面傳輸。該研究為首次通過衛星在太空中實現腫瘤模型在軌打印,其形態穩定,存活率適中。結果發現,3D腫瘤模型在太空中比在地球上對抗腫瘤藥物更敏感。該研究為太空3D生物打印開辟一條新途徑,為未來太空生命科學和醫學研究提供新的可能性。研究成果以“Satellite-Based On-Orbit Printing of 3D Tumor Models”為題發表在Advanced Materials期刊上。

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圖1 太空3D生物打印實驗流程及機制示意圖
太空生物打印裝置主要由3D打印模塊、生物模組、顯微鏡模塊和控制模塊組成(圖2A)。3D打印模塊主要由兩個裝滿生物墨水的注射器和一個與加熱片相連的硅絕緣體組成。生物模塊由兩個大室(體積為1.2 ± 0.2 mL)和八個小室(體積為0.4 ± 0.1 mL)組成,大室中裝有用于嵌入打印的懸浮培養基,小室中裝有用于研究空間腫瘤模型藥物反應的癌癥組裝體和培養基。生物模塊安裝在可加熱的上下平臺上,而打印模塊則安裝在XY運動平臺上,旁邊是一個由電機控制的注射器活塞,用于將含有細胞的生物墨水擠壓成復雜的3D結構。生物模塊與3D打印模塊相連,并通過乳膠軟膜密封(圖2D),軟膜的厚度經過進一步優化。此外,科研人員在打印模塊和生物模塊的外壁安裝了溫度傳感器,以監測不同模塊溫度變化。在整個在軌打印和培養過程中,打印模塊和生物模塊的外部溫度分別保持在21 ± 2°C和32 ± 2°C。因此,打印過程中MBT生物墨水和懸浮介質的實際溫度分別保持在32 ± 2℃和35 ± 2℃。在地球上的反復測試表明,內部和外部組件之間的溫差是恒定的。衛星進入軌道后,打印模塊和生物模塊在控制模塊的驅動下加熱到設定溫度,然后該設備通過3D打印模塊對腫瘤模型進行在軌3D打印(圖2E)。打印完成后,顯微鏡模塊自動捕捉生物樣本的明視野和熒光圖像,并將其傳輸到衛星,然后再傳輸到地面(圖2F)。在火箭發射過程中設備可能會經歷劇烈振動,持續時間約為一分鐘,因此需要高強度和剛度。科研人員對設備的結構設計進行了優化,確保有效載荷裝置既堅固又輕巧。

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圖2 用于在軌實驗的太空3D生物打印設備

考慮到在衛星中無人操作和傳統擠壓式3D生物打印的固有局限性,原位培養過程通常很難進行灌注。主要因為在液體灌注過程中,氣液界面容易產生大量氣泡。因此,科研人員開發了一種嵌入式3D生物打印策略,利用一種懸浮培養基既能3D打印MBT生物墨水,又能原位培養打印出的腫瘤模型(圖3A)。MBT懸浮培養基由分散相GelMA凝膠和連續相明膠及透明質酸(HA)復合材料組成。結果表明,MBT懸浮培養基可用于高保真打印復雜結構(圖3B)。熒光成像顯示,MBT懸浮介質主要由類似于MBT生物墨水的微凝膠組成。流變測試表明,MBT懸浮介質具有剪切稀化和自愈合特性(圖3C),有利于嵌入式打印。對嵌入打印的螺旋結構進行定量測量表明,絲的寬度和間距受打印溫度影響不大(圖3D、E),表明MBT懸浮介質具有較寬的打印溫度范圍。雖然微顆粒大大降低MBT懸浮介質的不透明度,但嵌入打印結構的輪廓仍清晰可見。研究人員還打印了人體解剖結構(如人的支氣管和心臟,圖3F)和帶有懸臂的結構(如垂直的TH管,圖3G),用于展示打印能力。使用傳統的擠壓打印方法很難打印出具有懸臂和薄壁等復雜結構的構造物。由于明膠的存在,MBT懸浮介質在加熱階段的凝膠-溶膠轉變點為35°C,在冷卻階段的溶膠-凝膠轉變點為20°C。將MBT懸浮培養基注入生物模塊后,在4℃下迅速凝固。凝膠化后,MBT懸浮介質即使倒置也不會在容器內流動。采取這種預防措施是為了防止MBT懸浮介質在半開放艙內泄漏,在火箭發射過程中的劇烈振動可能會導致這種泄漏發生。在37℃的MBT懸浮培養基中培養的打印構建體在72 h內保持較高的細胞活力。以上結果表明,MBT懸浮培養基可支持復雜構建物在30 ~ 37°C下嵌入打印和原位培養,同時在4 ~ 25°C下經受長途運輸而不會發生泄漏。

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圖3 MBT懸浮介質的設計和表征

接著,科研人員研究了太空環境中肺癌細胞對化療藥物的反應。有報道稱微重力可調節化療藥物的作用,但這些研究都是在二維培養條件下使用微重力模擬裝置進行的,因此得出的結論并不完全可靠。該研究設計了一個生物模塊,其中有一個裝有順鉑敏感和順鉑抗性H460/CAF癌細胞組裝體的8孔室。該癌細胞組裝體是評估藥物抗腫瘤能力的最佳3D腫瘤模型。敏感組和耐藥組都接受不同劑量的順鉑治療。通過液滴微流控技術,使用GFP標記的H460癌細胞和Dil標記的CAF生成直徑200 μm的癌細胞組裝體。為增強聚焦效果,將癌細胞組裝體嵌入薄層GelMA水凝膠中,然后進行光交聯,使其附著在培養室底部。熒光染色(圖4C)和組織學染色(圖4D、4E)顯示,培養一周的癌細胞組裝體發育成腫瘤組織樣結構,腫瘤實質和基質成分圍繞著實質癌細胞,與體內腫瘤組織相似。為研究太空環境對腫瘤對藥物治療反應的影響,在地面和太空同時捕獲明視野和熒光圖像。結果發現,順鉑耐藥組和順鉑敏感組在空間環境給藥36 h后都出現明顯反應。在太空中比在地球上更加迅速和敏感(圖4F)。太空環境中的耐藥組比藥物敏感組對順鉑的耐藥性更強(圖4G ~4J)。研究結果表明,空間微重力環境可能會大大提高細胞對化療藥物的反應性,從而使耐藥細胞更容易進行抗腫瘤治療。這一發現為解決腫瘤耐藥性問題提供一種新方法。要確定空間輻射和微重力對腫瘤治療敏感性的不同影響,還需要進一步的研究。研究人員計劃不久將來在中國空間站上進行全面的實驗驗證。

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圖4 太空環境影響癌細胞對順鉑的反應

綜上所述,該研究開發了一種新型適用于太空的生物打印設備,可以在太空中打印和培養3D腫瘤模型。研究結果表明,所開發的MBT生物墨水和MBT懸浮培養基能夠在很寬的溫度范圍內打印3D腫瘤模型,并能在軌道上實現形態穩定、細胞活力適中的培養。本文在衛星上對多功能實驗裝置和太空生物打印技術成功進行了在軌驗證,標志著太空3D生物打印技術的發展邁出重要一步,為加速太空生物學和醫學研究與發展提供新的機遇。

審核編輯:黃飛

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原文標題:太空3D生物打印技術:基于衛星在軌打印的3D腫瘤模型

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