2024年11月，2023级硕士研究生黄竣义在厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院航空航天大楼275会议室分享了题为“生物打印技术”的研究报告。

图   1   硕士研究生黄竣义汇报研究进展

生物医学研究中，传统的研究模型有2种，一种是动物模型，另一种是二维培养。然而，这两种模型都存在一定缺陷，以至于药物研发效率非常低，所需金额巨大，大约10万种化合物中，最终能在临床使用的只有1种。它们的缺陷主要体现在动物与人之间的物种差异，以及二维培养无法复现人体组织、器官复杂的三维结构。

紧接着，介绍了肿瘤微环境和心肌纤维化的发生过程，旨在通过这两个例子说明在我们需要有一种在体外精细地按照人们意愿地构造人体复杂组织、器官的方法，提出了“只有生物打印技术能够实现在体外精细地按照人们意愿地构造人体复杂组织、器官”的观点。

图   2    药物研发效率

在介绍生物打印技术之前，介绍了类器官方法。类器官也就是organoids，是在2009年由被称为“类器官之父”的Hans Clevers教授提出的，他的团队使用来自小鼠肠道干细胞培育出首个肠道类器官，开启了类器官领域的元年。类器官是在体外由干细胞通过自我聚集所形成的三维培养系统，具有一定体内器官的结构和功能。

图   3    人体多能干细胞所得的类器官

形成类器官的干细胞是怎么获得的呢？干细胞主要分为两种，一种是多能干细胞，另一种是成体干细胞。多能干细胞可以分化为在胚胎或成人体内的任何细胞类型，而成体干细胞只能分化成它们所来自的器官中的细胞类型。多能干细胞分为胚胎干细胞和诱导多能干细胞，胚胎干细胞是从胚胎中获取的，而诱导多能干细胞是通过逆分化获得的。第一个诱导多能干细胞的产生是在2006年，该项研究的研究者也由此获得了2012年的诺贝尔生理或医学奖。

紧接着，介绍了生物打印技术。生物打印就是以生物墨水为打印材料，通过生物打印设备在体外制造组织或器官，生物墨水指的是包含细胞的生物材料，通常是各种水凝胶。生物打印的应用非常广泛，包括器官移植、组织修复、药物研发、疾病模型，甚至是食品工业。

图   4    生物打印技术

生物打印的方法包括挤出打印、喷墨打印、激光辅助打印以及立体光刻。打印出来的生物墨水要怎么样形成三维的组织结构呢？以挤出式打印为例，生物墨水一旦离开了打印喷嘴，它应该要保持一定的形状，这需要生物墨水发生交联。根据交联的机理，可以分为物理交联和化学交联。比如生物打印中，经常使用的海藻酸盐，可以通过二价阳离子发生物理交联。

生物打印技术中需要考虑的问题包括生物墨水的性质、细胞存活率等，生物墨水越稀，越有利于细胞存活，但可打印性变差。于是介绍了嵌入式生物打印及其优势。

最后，介绍了一种在纳米纤维中进行生物打印的想法。先介绍了如何在制造三维的纳米纤维支架，紧接着介绍了自己的相关工作内容，即一种分层交叉纳米纤维网架的制作方法，该方法为通过由下自上逐层不同方向上地发散静电纺丝，在不同高度上获得不同取向的纳米纤维，从而可以用于模拟人体真实心脏中心肌组织分层交叉的结构。

图   5    分层交叉的纳米纤维网架

其后续的研究计划为精细化制作过程，减小纳米纤维层的间距，并在其中进行图案化生物打印。

图   6    后续研究计划

出席本次会议的教师有：王凌云教授、吴德志教授、赵扬副教授、陈松月副教授以及丁政茂助理教授。此外，萨本栋微米纳米科学技术研究院传感技术研究团队低年级博士、硕士研究生参加了本次会议。

文字 夏友长

图片 黄杨栋

排版 钱显威

审核 李春珊