利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術

眾所周知，細胞形狀決定細胞功能。通過改變用于細胞操作的生物材料基底的生物物理特性來改變生物形狀，從而實現(xiàn)編程細胞形態(tài)與功能的技術，在生物醫(yī)療等領域有重要價值和意義。

麻省理工學院比特和原子中心與新澤西州史蒂文斯技術學院的技術團隊實現(xiàn)了利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術，運用該技術可以通過控制特定的生物材料基底，生長出具有均勻大小和形狀，以及特定功能的細胞。

傳統(tǒng)的3D打印技術所產生的細絲可以達到150微米（百萬分之一米），細胞在該尺度的打印表面，就像在二維表面上一樣，因為細胞本身比打印出的網狀結構小很多。3D打印時，在擠出纖維和打印的過程中，給噴嘴之間增加一個強電場，打印出的纖維寬度可以達到10微米，該技術稱為熔融直寫技術。熔融直寫技術可以生成與細胞同尺度的網狀結構，從而為細胞生長提供一個真正的3D結構。細胞的許多功能受其微環(huán)境的影響，通過調節(jié)3D打印出的與細胞同尺度的多孔微結構，就可以實現(xiàn)對細胞尺寸、形狀及其在材料基底上的粘合方式的控制，即制造具有特定大小、形狀和特性的細胞。

該團隊首先采用熔融直寫技術得到各種特定結構的生物基底，然后使用共聚焦顯微鏡觀察細胞在纖維中的生長，并采用人工智能方法對產生的大量的圖像進行分析和分類，從而發(fā)現(xiàn)細胞類型及其可變性與其所生長的微環(huán)境的空間與纖維排列等特征間的關聯(lián)。

細胞在其附著于結構的位置會形成稱為“粘著斑”的蛋白質。粘著斑就像細胞與外界交流的“信使”，這種蛋白攜帶可被測量的特征；該團隊通過量化粘著斑上的特征，并對這些特征進行計量分析，實現(xiàn)不同形狀細胞的建模與分類。

此項研究表明，在給定的網狀結構下，細胞生長出的形狀與其基底結構和熔融直寫結構直接耦合，并且，這種耦合性相比隨機結構的網格具有高度的統(tǒng)一性，這種統(tǒng)一的細胞生長特性對生物醫(yī)療意義重大——實現(xiàn)了由形狀驅動，具有很高重復性的精準設計與量化細胞的方法。

該團隊將此項成果用于干細胞生長，結果表明，特定干細胞在本研究所得的三維網格中生長，比在傳統(tǒng)二維結構中生長所保持特性的時間顯著增長。該實驗為此項技術在醫(yī)學領域的應用提供了參考，可以采用此項技術培養(yǎng)具有特定功能的人類細胞，從而為移植與人造器官提供所需的材料。進一步明確細胞表型變化與三維打印的材料基底之間的耦合特性，是目前此項研究實現(xiàn)產業(yè)化應用的主要障礙。