如何利用3D打印技術打印出成熟形態的機體組織器官？

　　3D打印技術的快速發展使得直接利用細胞和聚合物材料的活性油墨打印器官樣、細胞致密組織的前景更加廣闊，當活性油墨被置于生理條件下時，細胞就會在聚合物基質上施加機械力并動態改變墨水的形狀和機械性質，為了幫助3D打印在組織工程中的發展，研究人員就需要對活性墨水的特性進行定量分析理解，以便其一旦被放入培養基中就能夠有效預測并控制形狀的演變。

　　日前，發表在國際雜志Nature Communications上的研究報告中，研究者Morley等人就提供了關于活性墨水和其機械性能迄今為止最完整的定量化描述，相關研究或為后期4D生物打印奠定了一定基礎，在4D打印過程中，生物材料會進行一系列形態發生步驟來引導，比如改變印刷物體的生物學過程，而這些步驟都會匯聚于功能和結構先進的最終形式。

　　最廣泛使用的3D打印機是一種基于擠壓的設備，其中墨水被推動通過噴嘴以形成具有特定直徑和幾何形狀的細絲；如今組織工程師已經能夠將成為漿液的微粒轉變成為柔軟的材料，比如3D打印細胞混合物和細胞外基質組分（ECM）；漿液能夠抑制在重力作用下產生的結構單元的坍塌，在研究中，研究者Morley能利用一種自由形式的打印技術將活性墨水的細絲轉化稱為由聚合物微粒所形成的漿液，隨后其就會在介質中轉變為液體。

　　這些活性墨水由活的成纖維細胞（動物機體中最常見的細胞）和普遍存在的ECM蛋白—膠原蛋白-1組成，膠原蛋白能夠提供成纖維細胞附著并引發收縮反應的基質材料，這些打印出的長絲結構具有一系列幾何形狀以及與成纖維細胞和膠原蛋白并不相同的組分，文章中，研究人員利用這些絲狀結構作為最簡單構建打印組織基本元件的模型，這類似于支撐框架中的單個梁。

　　研究者Morley等人測定了打印后細絲的幾何形狀如何隨時間而變化，因為細胞對膠原蛋白-1施加了牽引力并重塑了基質的結構，通過系統性地改變長絲的厚度和長度，以及其膠原蛋白-1和細胞成分，研究人員就能夠全面理解生物材料中細絲的機械性能，盡管該研究僅限于簡單的細絲幾何形狀，但從原則上來講，其所得到的數據適用于機械模型，而該模型則能描述組織的變形及具有更復雜的細絲幾何形狀和模式的組織。

　　在一系列關鍵實驗中，研究者在細胞牽引下觀察到了四種類型的細絲行為，其能夠通過利用細絲的材料特性和微粒漿液的硬度來進行定量解釋（如圖），在具有低剛性的微粒漿液中，細絲會彎曲成波狀形狀從而減輕細胞施加的內應力；然而，如果漿液變得更硬的話就能夠防止彎曲，在中等漿液的硬度下，長絲要么會破裂成為較小的部分，要么會發生縮短，這取決于長絲中膠原蛋白-1的濃度，為此研究人員提出了一種理論框架，其能夠幫助預測3D打印機的克隆參數如何決定后期行為的發生。

　　研究者認為，他們所提出的理論框架能為4D生物打印提供定量的工程指南，比如，其能夠對細胞和ECM組分的打印排列進行成像，這些組分能夠自發地改變形狀從而產生阻止和器官的合成形式，比如腎臟、肺臟和血管等，其要比現實更加真實。

　　然而在這一愿景成為現實之前，研究人員或許還面臨著很多挑戰，利用4D生物打印對功能性阻止進行工程化改造需要將大量活細胞和ECM組分整合到打印機所擠出的材料中，所有這些都將通過生物化學和機械方式彼此相互作用，那么多個偶聯的細絲如何在相互連接的框架中表現？其又是如何相互推拉的？而且細胞動力學本身如何隨著結構曲線的變化而變化？目前研究人員并不清楚如何使用形態發生過程將更為復雜的物體工程化改造來得到一個穩定的結果，或者是否這些過程并沒有研究人員所分析的細胞行為那樣強大，比如細胞增殖、分化和運動等。

　　最后，應該指出的是，所有基于擠壓的打印技術都存在空間分辨率的問題，有趣的是，研究者Morley等人的觀察結果提出了組織工程可能會采用的解決方法，他們發現，這些細絲能夠在某個參數范圍內發生收縮；因此，由于細胞牽引對整個打印對象的壓縮作用，打印組織結構的有效空間分辨率可能要比打印機噴嘴的直徑要好得多；未來4D生物打印技術的挑戰也給眾多工程師們提供了前所未有的機會，他們能將工程學與機體組織發育過程結合，設計出更多設計主題可控的打印產品。