看美国西北大学如何玩转生物3D打印机

提到生物3D打印机，我们最先想到的应用就是3D打印人工组织或人工器官。大多数生物3D打印机的工作原理是利用压力将生物墨水从墨盒中挤出，并通过注射器式的针头将材料沉积下来。

在材料技术的驱动下，生物墨水的种类不局限于含有细胞的水凝胶，还可以是含有陶瓷、金属、石墨烯等材料的墨水。有了这些材料，生物3D打印机的应用范围被拓展至工程、电子等领域。美国西北大学材料科学和工程系的Shah TEAM实验室正是通过这些多样化的生物墨水，将生物3D打印机”玩“出了新花样。

致力于组织工程和增材制造的材料团队

Shah TEAM 实验室的全称是Shah Tissue Engineering and Addictive Manufacturing (TEAM)Lab。实验室专注于为组织工程和增材制造领域开发3D打印油墨新材料。除了材料研发，实验室还从事表征、功能测试和优化3D打印结构的工作。

负责人 Ramille Shah 教授的专业方向是材料科学与工程。最初接触生物3D打印是2011年，那时她正在准备一门组织工程学的课程-制造支架的新技术，为此她决定用自己的学术项目基金采购一台EnvisionTec 3D-Bioplotter 生物3D打印机。在此后的工作中，Shah教授的的团队针对这台打印机开发可用的生物打印墨水。

3D-Bioplotter 最主要的应用是打印骨组织再生支架、软组织、药物缓释和器官打印。3D-Bioplotter 生物3D打印机也是基于注射挤出式的工作原理，目前第四代打印机可同时打印5种不同的材料，打印机中的自动化装置可在打印中自动更换打印墨盒，进行温度控制和针头的清洗。

基于3D-Bioplotter 打印机,Shah TEAM 实验室主要开发两种类型的材料：一种是用于组织工程和再生医学的水凝胶材料，另一种是颗粒悬浮状的油墨。颗粒悬浮状油墨最初也是为了组织工程学的应用而研发的，此后实验室的团队发现通过混入金属、石墨烯颗粒，颗粒悬浮状油墨和生物3D打印机的应用可以拓展至更广泛的领域。

促进骨骼再生的颗粒悬浮状油墨

Shah TEAM 实验室最初开发的颗粒悬浮状油墨是在聚合物溶剂中混入功能性的羟基磷灰石，该成分是骨骼中重要的矿物成分。使用这种油墨可打印出骨骼修复支架，在经过清洗、消毒之后可直接进行手术植入，在植入体内后体内的骨细胞会逐渐在支架中生长，逐渐形成新的骨骼组织，聚合物材料将在体内被降解吸收，而在3D打印聚合物支架上生长出来的骨头将与周边组织融为一体。

Shah TEAM 实验室研究团队发现，他们研发的油墨材料载荷水平高，通过调整颗粒的比例，可以改变幽默中的颗粒密度和孔隙率，当羟基磷灰石颗粒带到高密度时将为骨细胞提供一个适合成长的环境，以便于逐渐形成新的骨组织。另一方面，材料的孔隙让体内的骨组织和血管在支架植入物上生长。

从组织到器官

Shah TEAM实验室还参与了一些3D打印复杂人体组织的研究项目，如生物3D打印人工卵巢。在进行卵巢再生时，首先需要3D打印出一个凝胶支架，然后将卵泡细胞”播种“在上面逐渐培养出卵巢。

目前这种人工卵巢在小鼠身上进行了成功的实验，下一步项目团队将进行大动物实验以获得更准确的科研数据，当条件成熟的情况下将进行临床实验。该成果走向临床应用仍需多年时间。Shah教授认为，相比之下羟基磷灰石3D打印人工骨将较早进入临床应用，这个过程大约5-10年。

从骨骼到金属和石墨烯

除了组织工程和再生医学这个老本行之外，Shah TEAM实验室还将生物墨水和生物3D打印机的应用拓展到了金属和石墨烯领域，他们陆续开发了含有铁氧化物、镍等金属成分的颗粒悬浮状油墨。这些金属3D打印的零部件与骨骼修复支架类似，零件中的聚合物材料最终也会消失掉，所不同的是，在打印完成之后金属打印对象中的聚合物成分并不是自然降解，而是通过高温烧结的方式进行“降解”，从而留下一个致密的金属零部件。

图片来源：Shah TEAM Lab

Shah TEAM实验室使用这些材料和生物3D打印机，可在相对较低的成本和快速的情况下打印出均匀的金属零部件。通过改变烧结炉的温度或油墨的成分，Shah的团队可以提升金属零部件的品质，并进一步扩展材料的应用和功能。