高通量3D生物打印机速度创纪录，加快新药开发

　　作者/凯霞
　　快速生产大量定制生物组织的 3D 打印机可加快药物开发并降低成本。3D 生物打印技术的快速发展，制造用于生物和医学应用的复杂的三维组织支架成为可能，高速、高通量的孔板生产是一个关键需求。
　　制药公司开发新药的过程可能需要长达 15 年的时间，成本高达 26 亿美元。通常从在试管中筛选数万种候选药物开始。成功的候选药物随后在动物身上进行测试，通过这一阶段的候选药物将进入临床试验。运气好的话，其中一个候选药物将作为 FDA 批准的药物进入市场。
　　近日，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发出了高通量 3D 生物打印技术，可以加速新药开发过程的第一步。该技术以创纪录的速度进行 3D 打印——它可以在 30 分钟内生成 96 孔活体人体组织样本。这将使药物开发人员能够快速建立大量人体组织。该技术可加速高通量临床前药物筛选和疾病建模和药物测试。
　　该研究以「多孔板中的高通量直接 3D 生物打印」 （High throughput direct 3D bioprinting in multiwell plates） 为题发表在《生物制造 》（ Biofabrication ）杂志上。
　　药理学研究和开发是一项繁琐且容易失败的工作。通常在开发管道验证阶段之间的转换产生失败。虽然 3D 生物打印技术的进步已经能够精确制造不同复杂性的工程组织支架，但低通量和低重现性会限制这些技术在大量一致、功能性样品应用中的使用，例如高通量筛选 (HTS) 方法常用于各种生物、化学和制药领域。
　　高通量3D生物打印机
　　基于此，研究人员提出了一种基于数字光处理 (DLP) 的快速连续 3D 生物打印平台，能够自动打印孔板，用于高通量原位制造 3D 组织结构，每批次多达 96 个样本。
　　图示：高通量3D生物打印机(HT-3DP)示意图。（来源：论文）
　　图示：高通量 3D 生物打印机在标准 96 孔板上执行打印。（来源：论文）
　　「通过人体组织，你可以获得更好的数据——真实的人体数据——关于药物如何发挥作用，」加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授 Shaochen Chen 说。「我们的技术可以制造具有高通量能力、高重现性和高精度的组织。可以帮助制药行业快速识别并专注于最有前途的药物。」
　　研究人员指出，虽然他们的技术可能不会消除动物试验，但可以最大限度地减少该阶段遇到的失败。
　　「我们在这里开发的是复杂的 3D 细胞培养系统，可以更接近地模拟实际人体组织，有望提高药物开发的成功率。」博士后研究员、该论文的共同第一作者Shangting You说。
　　该技术不仅在分辨率方面与其他 3D 生物打印方法相媲美，而且在速度方面，使用该高通量 3D 生物打印技术打印一个组织样本大约需要 10 秒钟（传统方法需要数小时）。此外，它还可直接在工业孔板中自动打印样品。
　　Chen说：「当你将该技术扩展到96孔板时，你会发现节省的时间有很大的不同——使用传统方法至少96小时，而我们的技术大约30分钟。」
　　可重复性该研究的另一个关键特征。Chen的技术生产的组织是高度有组织的结构，因此可以轻松复制以进行工业规模筛选。Chen解释说，这是一种与用于药物筛选的类器官不同的方法。「通过我们的 3D 生物打印方法，可以准确指定打印不同细胞类型、数量和微结构的位置。」
　　工作原理
　　为了打印组织样本，研究人员首先在计算机上设计了生物结构的 3D 模型。这些设计可以来自医学扫描，因此可以针对患者的组织进行个性化设计。然后计算机将模型切成2D快照，并将它们传输到数百万个微观尺寸的镜子。每个镜子都经过数字控制，以快照的形式投射出紫光图像——波长为 405 nm（对细胞是安全的）。光图像被照射到含有活细胞培养物和光敏聚合物的溶液上，这些聚合物在曝光时会固化。该结构以连续方式一次一层地快速打印，形成一个 3D 固体聚合物支架，封装将生长并成为生物组织的活细胞。
　　数控微镜阵列是打印机高速运行的关键。由于它在逐层打印时将整个 2D 图案投影到基板上，因此它生成 3D 结构的速度比其他打印方法快得多，后者使用喷嘴或激光逐层扫描每一层。
　　「一个类比是：比较使用铅笔和印章绘制形状之间的差异，」Chen实验室的纳米工程博士生、该研究的共同第一作者 Henry Hwang 说。「用铅笔，你必须绘制每条线，直到完成形状。但是使用印章，您可以一次性标记整个形状。这就是数字微镜设备在我们的技术中所做的。这是速度上的数量级差异。」
　　活细胞打印能力测试
　　为了建立 HT-3DP 的活细胞打印能力，研究人员在 3D 打印仿生肝组织支架中使用了成熟的肝细胞癌细胞系 (HepG2)。
　　图示：3D生物打印机打印癌组织。（来源：论文）
　　使用 7.5% (wt/vol) GelMA 水凝胶溶液，选择打印参数，使最终聚合基质刚度类似于天然肝组织的刚度。首先打印无细胞版本以验证形状精度。经过验证，HepG2细胞与GelMA水凝胶溶液混合，最终浓度为每毫升300万个细胞，然后如前所述使用HT-3DP进行打印，从而创建了肝细胞癌的3D打印组织模型。活细胞和死细胞通过钙黄素AM和乙锭同源二聚体-I染色，并在一周的时间内成像。活/死定量显示，大多数细胞群（> 85%）在一周结束时是活细胞，因此表明组织支架是高度可行的。
　　可商业化
　　这项工作建立在 Chen 的团队于 2013 年发明的 3D 生物打印技术的基础上。它最初是为再生医学创建活生物组织的平台。
　　现在，研究人员已经将该技术自动化，以进行高通量组织打印。Allegro 3D, Inc.是加州大学圣地亚哥分校的一家分支公司，由Chen和他的校友Wei Zhu共同创立，该公司已经获得了这项技术的授权，并在最近推出了一款商业产品。
　　论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ab89ca
　　参考内容：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/uoc--sp3060721.php