生物3D打印课题组(EFL团队)2019年度回顾 忙碌的日子总是过的很快,2019年EFL(Engineering for Life)团队是一个内强素质,外塑形象的关键节点。这几年围绕生物3D打印,我们在打印工艺、打印装备、生物墨水耗材等经历了多次迭代,对生物3D打印的理解也越来越深,今年围绕体外疾病模型的高效构建、类器官的打印、大尺寸组织的体外重建等层面取得了显著进步。在基础研究层面,今年我们在高水平期刊上发表了系列文章,阐述我们对生物3D打印的理解,有幸其中的两篇被选为了封面文章。在成果转化方面,EFL团队的产业化公司已初见规模,后续发展思路也逐步清晰。团队所提供的生物3D打印解决方案已在为国内外近300个课题组的高水平科研提供支持。 回首2019年,最想说的一个词就是感恩,感谢浙江大学及机械工程学院提供了包容而自由的工作环境,感谢各位师长、同事,感谢众多的朋友,感谢木渎镇、吴中区、苏州市,感谢吴中科创园及苏州智能制造研究院,没有各级领导及朋友一直以来的关心与支持,我们走不到今天。EFL团队在你们的关注下成长,我们也一定会秉承浙大的求是作风,脚踏实地,一步一个台阶的走好。 感谢团队各位同学的辛苦工作,感谢产业化公司的各位同事,EFL所取得的点滴进步都是你们拼命干出来的,你们用实际行动诠释了不忘初心,为你们点赞! 一、基础研究 1. Materials Horizons (IF=14.356) 封面,全水凝胶器官芯片制造新方法 一句话概括 :在水凝胶上首次构建了完整的血供循环系统(动脉-毛细血管-静脉),证明毛细血管也是可以体外构建的。 论文信息 : Nie J, Gao Q, Xie C, et al. Construction of multi-scale vascular chips and modelling of the interaction between tumours and blood vessels . Materials Horizons, 2020. 2. Advanced Healthcare Materials (IF=6.27)封面,载细胞微丝/纤维状类器官,何时成为临床产品? 一句话概括 :证明了载细胞水凝胶微丝能发育为功能化组织、能快速批量稳定制造、还能像细胞一样被冻存,很有希望成为微组织银行中的批量存储单元,具备后续临床化潜力。 论文信息: Shao L, Gao Q, Xie C, et al. Bioprinting of Cell‐\Laden Microfiber: Can It Become a Standard Product? . Advanced healthcare materials, 2019, 8(9): 1900014. 3. Biofabrication (IF=7.236),高生物活性水凝胶GelMA复杂支架打印 一句话概括:以GelMA生物水凝胶为生物墨水,定义了生物材料可打印性研究规范,解决了GelMA水凝胶复杂结构的高效打印。 论文信息: Gao Q, Niu X, Shao L, et al. 3D printing of complex GelMA-based scaffolds with nanoclay . Biofabrication, 2019, 11(3): 035006 . 4. ACS Applied Materials Interfaces (IF=8.1) 通用的3D 打印多材料高弹性硅胶方法 一句话概括 :给出了硅胶及PDMS类软材料一种通用3D打印解决方案,可实现各种硅胶的高效、高质打印而不改变原有的力学性能,建立了打印的理论模型,系统地分析了硅胶类高弹性体的可打印性,首次实现了2000%高弹硅胶的打印。 论文信息 : Zhou L, Gao Q, Fu J, et al. Multi-Material 3D Printing of Highly Stretchable Silicone Elastomer . ACS applied materials interfaces, 2019. 5. Materials Design (IF=5.77),3D打印超高精度生物支架调控细胞生长 一句话概括 :可打印从20微米到3微米线宽的生物支架,实现在同一个支架上不同区域有不同的力学性能,揭示细胞还可以像植物攀爬架子式的生长。 论文信息 : Xie C, Gao Q, Wang P, et al. Structure-induced cell growth by 3D printing of heterogeneous scaffolds with ultrafine fibers . Materials Design, 2019, 181: 108092. 6. Materials Science and Engineering: C (IF=4.959),多尺度3D打印高生物相容性及力学强度兼具的组织工程支架 一句话概括 :打印多级支架结构,超细支架(3微米丝径)提升支架的生物兼容性、常规尺寸支架(100微米丝径)提供足够的强度。 论文信息 : Gao Q, Xie C, Wang P, et al. 3D printed multi-scale scaffolds with ultrafine fibers for providing excellent biocompatibility . Materials Science and Engineering: C, 2020, 107: 110269. 7. Advanced Functional Materials (IF=15.621),液态金属-硅胶墨水实现柔性电子的全打印制造 一句话概括 :提出了一种独特的液态金属-硅胶墨水和相应的多材料3D打印工艺用以制造全打印的液态金属基柔性电子设备。 论文信息 : Zhou L, Fu J, Gao Q, et al. All ‐\ Printed Flexible and Stretchable Electronics with Pressing or Freezing Activatable Liquid ‐\ Metal – Silicone Inks . Advanced Functional Materials, 2019. 8. Biofabrication (IF=7.236), 柔性线框模具实现微纳结构的无损伤脱模/高精度3D打印助力水凝胶类生物材料微纳结构精准制造 一句话概括 :针对生物脆性材料如生物水凝胶,发展了全新的无损脱模思路,可实现微纳结构的低成本、高质量制造,适用于非硅材料的微加工。 论文信息 : Lv S, Nie J, Gao Q, et al. Micro /nanofabrication of brittle hydrogels using 3D printed soft ultrafine fiber molds for damage-free demolding . Biofabrication, 2019. 9. Biomaterials Science (IF=5.251), 生物3D打印带纤维GelMA微球:三维共培养新思路 一句话概括 :微球中集成微丝,大幅提升生物3D打印多细胞类器官结构的能力。 论文信息 : Xie M, Gao Q, Qiu J, et al. 3D biofabrication of microfiber-laden minispheroids: a facile 3D cell co-culturing system . Biomaterials science, 2020. 10. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences (IF=4.016),邀请综述, 生物3D打印进展综述:从打印方法到生物医学应用 一句话概括 :我们认为后续广泛应用的三个生物3D打印技术是投影式光固化打印、悬浮支撑打印及同轴打印,生物墨水的要点是在可打印性、生物相容性和机械性能三者中找到平衡。 论文信息 : Gu Z, Fu J, Lin H, et al. Development of 3D Bioprinting: From Printing Methods to Biomedical Applications . Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2019. 11. Advanced Healthcare Materials (IF=6.27),带营养输送网络同步生物3D打印方法 一句话概括 :提出共轴生物3D打印,解决直接打印大尺寸多孔载细胞支架易坍塌问题。 论文信息 : Shao L, Gao Q, Xie C, et al. Synchronous 3D Bioprinting of Large ‐\ Scale Cell ‐\ Laden Constructs with Nutrient Networks . Advanced Healthcare Materials, 2019. 二、生物3D打印科普 12. 在Bio-Design and Manufacturing开始专栏,系统介绍生物3D打印的各个内容 一句话概括 :推进生物3D打印的普及,我辈责无旁贷,以科普拉近生物3D打印与普通研究人员的距离。 敬请关注 Bio-Design and Manufacturing 杂志Why choose 3D bioprinting?系列文章,创刊不到两年的SCI检索杂志BDM欢迎再生医学领域的优质稿源。 Why choose 3D bioprinting? Part I: a brief introduction of 3D bioprinting for the beginners .Bio-Design and Manufacturing , 2019 13. 应邀撰写了一篇GelMA水凝胶生物3D打印的Protocol,带视频,系统介绍微球、微丝、复杂支架等的制造工艺 GelMA 生物 3D 打印的 视频教程论文: Xie, M., Yu, K., Sun, Y., Shao, L., Nie, J., Gao, Q., Qiu, J., Fu, J., Chen, Z., He, Y. Protocols of 3D Bioprinting of Gelatin Methacryloyl Hydrogel Based Bioinks. J. Vis. Exp. (154), e60545, doi:10.3791/60545 (2019). 视频地址: https://www.bilibili.com/video/av80697900/ 14. 录制了一门3D打印的MOOC课程,对3D打印感兴趣的朋友可选不同主题看看。 题目:“3D打印:从原理到创新应用”,在大学MOOC及智慧树平台上都有 三、生物3D打印产业转化 15. 产业化三款针对不同场景的生物3D打印机,得到了众多朋友的认可;EFL-GM系列光固化GelMA水凝胶家族也日益壮大,可模拟不同软组织硬度、不同软组织成分;还有光固化透明质酸、葡聚糖、自带荧光的水凝胶等衍生产品。 EFL(Engineering for Life) 公众号,欢迎关注
EFL课题组生物3D打印研究阶段性工作总结 生物 3D 打印( 3DBioprinting )又称“生物增材制造”,从广义上来分,生物 3D 打印大致可划分为四个层次:第一层次为制造无生物相容性要求的结构,比如目前有广泛应用的手术路径规划用产品的 3D 打印、手术导板等;第二层次为制造有生物相容性要求,不可降解的制品,比如钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等;第三层次为制造有生物相容性要求,可降解的制品,比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等;第四层次就是狭义生物 3D 打印,即操纵活细胞构建仿生三维组织,比如打印药物筛选及机理研究用的细胞模型、肝单元、皮肤、血管等。 开发合适的生物墨水一直是生物 3D 打印中的一个核心问题,浙江大学贺永教授课题组多年从事生物 3D 打印研究,已成功实现 GelMA 基“生物墨水”的产业化,解决了生物墨水的批次差异性大、批量化稳定性差等问题,被国内外百余个课题组所应用。生物墨水作为典型的软物质材料,可打印性一直是研究的焦点所在,该课题组对可打印性进行了系统的研究,从墨水的调控、打印中的误差控制、研究精准成形工艺等角度对生物墨水的可打印性展开了系列研究,实现了水凝胶精确打印及单细胞分辨率的操控(图 1 ) 。 图 1 GelMA 水凝胶复杂结构打印 GelMA基生物墨水 活性组织内遍布的各类血管是器官保持活性的根本,只有有效的加工出相似的血管网络才有可能实现营养的有效输送,确保 3D 打印后形成一个真正的活性器官。 常见的方法是先制造类似血管的流道结构,然后包覆在凝胶结构中,或者是基于牺牲工艺的流道构建技术。但是这些方法需要的工艺过程复杂,无法实现支架结构和流道网络的同时打印,难以在内部构造有效的流道。贺永课题组提出了一种全新的基于中空凝胶纤维融合工艺的细胞打印方法,实现了支架结构和流道网络的同时成形(图 2 )。通过课题组自行研发的三维打印机,利用同轴喷头制造出中空凝胶纤维,通过三维打印平台控制中空凝胶纤维的沉积位置以及控制凝胶反应的交联时序,使中空凝胶纤维融合一起形成具有内置流道的三维结构。课题组通过大量的工艺实验,系统解决了凝胶融合工艺;证实了融合后的凝胶结构强度适合于器官打印要求;并通过后续的细胞培养验证了营养通道的有效性 。在本方法的基础上,课题组提出了一种血管 3D 打印工艺,该工艺能实现宏微跨尺度血管结构的打印,宏观流道可用于各种机械力的加载,微观通道可用于营养输送以及化学物质的加载。课题组通过大量的工艺实验,系统解决了跨尺度血管结构的成型问题,成功构建出了含成纤维、平滑肌及内皮细胞的三层血管结构 ,进一步的课题组建立了体外血管模型, CD31 、 Vinculin 及 Ve-Cadherin 抗体染色表明,已成功构建出了接近体内血管功能的血管芯片。随后通过炎症诱导因子的加载,模拟了动脉粥样硬化等病理条件下血管的炎症反应 。在相关工作的推动下,同轴生物 3D 打印方法已经发展成为一个新兴的研究方向。 图 2 同轴生物 3D 打印方法 类器官是药物评价、器官病变机制等研究的有效工具,课题组发 明了一种气流辅助异质螺旋微球类器官的成型工艺(图 3 ), 首次实现了 在微球内构造出复杂的活性结构 。该方法 精度可达到单细胞分辨率,为类器官的高效及精准构建提供新思路,相关工作刊登在 Small 杂志上并被选为封底论文 。 课题组受到旋绳效应的启发,实现了 GelMA 材料异质微纤维的制造,可打印多种组分,多种形态的纤维状迷你组织。在微纤维中包裹了内皮细胞,内皮细胞在很短的时间内即可迁移到纤维表面,形成螺旋等各种微血管结构 。此外,课题组提出了电场辅助的 GelMA 微球制造方法,解决了低浓度 GelMA 成形的难题。通过细胞包裹、药物控释、生物 3D 打印三个典型案例展示了 GelMA 微球在组织工程领域的潜在应用 。 图 3 气流辅助异质微球类器官的成型工艺 生物 3D 打印的组织结构除了在器官发育机制、病变机理、药物评价领域有众多应用外,课题组一直在思考如何将载细胞打印变成成标准的临床产品。从临床产品视角出发,我们认为打印的结构需要满足: 1 )包裹细胞的水凝胶材料生物性能优异,便于让包裹的细胞发育出功能; 2 )打印工艺简单稳定,可量化稳定制造; 3 )打印后的结构可长期储存,能像创可贴一样随取随用。由于水凝胶纤维结构简单,易于营养渗透及包裹细胞的功能化,我们认为水凝胶纤维是非常有潜力成为临床产品的结构。围绕这三个需求,课题组选用高生物活性的 GelMA 水凝胶作为细胞包裹材料,在纤维上成功实现了血管类器官、毛细管新生(血管出芽)、血管化肿瘤等结构的构造,证明了 GelMA 载细胞结构可以高效的实现细胞的功能化;开发了同轴打印工艺,可稳定、大批量地制造 GelMA 纤维,实现载细胞纤维的量化生产;制备的载细胞纤维还可通过冻存长期稳定的保存,取出后又可快速恢复功能,这样可建立一个载细胞微纤维银行,实现随取随用。相关工作刊登在 Advanced Heathcare Materials 杂志上并被选为封底论文 。 图 4 产品化载细胞 GelMA 纤维的要求 基于以上研究,课题组已发表相关论文 20 余篇( 3 篇封面),撰写著作 1 部 ,如图 5 所示。此外,为了降低医学人员使用生物 3D 打印机的门槛,课题组还联合苏州智能制造研究院产业化了 EFL-BP 系列模块化生物 3D 打印机(图 6 ),其最大特点是可直接置入超净工作台,功能通过模块可灵活配置,操作简单易用。可搭载气动、挤出、高精度直写( 3 到 5 微米打印精度)、光固化等喷头,支持细胞、水凝胶、生物陶瓷、 PLA 、 PVA 、 PBS 等材料。 图 5 课题组撰写的专著及发表的论文封面 图 6 苏州智能制造研究院推出的 EFL-BP 系列生物 3D 打印机 ( a ) BP66 系列挤出式打印机;( b ) BP58 系列高精度(2微米精度)打印机;( c ) BP86 系列(全球首款商业化投影式光固化生物 3D 打印机) He Y, Yang F F, Zhao H M, et al. Research on theprintability of hydrogels in 3D bioprinting . Scientific reports, 2016, 6:29977. Gao Q, Niu X, Shao L, et al. 3D printing of complexGelMA-based scaffolds with nanoclay . Biofabrication, 2019,11: 035006 . Gao Q, He Y, Fu J, et al. Coaxial nozzle-assisted 3Dbioprinting with built-in microchannels for nutrients delivery .Biomaterials, 2015, 61: 203-215. Gao Q, Liu Z, Lin Z, et al. 3D bioprinting of vessel-likestructures with multilevel fluidic channels . ACS biomaterials science engineering, 2017, 3(3): 399-408. Nie J, Gao Q, Wang Y, et al. Vessel ‐\ on ‐\ a ‐\ chip with Hydrogel ‐\ based Microfluidics .Small, 2018, 14(45): 1802368. Zhao H, Chen Y, Shao L, et al. Airflow ‐\ Assisted 3D Bioprinting ofHuman Heterogeneous Microspheroidal Organoids with Microfluidic Nozzle .Small, 2018, 14(39): 1802630. Shao L, Gao Q, Zhao H, et al. Fiber ‐\ based mini tissue withmorphology ‐\ controllableGelMA microfibers . Small, 2018, 14(44): 1802187. Xie M, Gao Q, Zhao H, et al. Electro-Assisted Bioprintingof Low-Concentration GelMA Microdroplets . Small, 2018: 1804216. Shao L , Gao Q , Xie C , etal. Bioprinting of Cell-Laden Microfiber: Can It Become a Standard Product? . Advanced Healthcare Materials, 2019: 1900014 贺永,傅建中,高庆著. 生物3D打印:从医疗辅助制造到细胞打印,华中科技大学出版社,2019