所有的人類都是從單個細(xì)胞開始，經(jīng)過分裂最終形成胚胎。根據(jù)鄰近細(xì)胞發(fā)出的信號，這些分裂的細(xì)胞會發(fā)展或分化成特定的組織或器官。在再生醫(yī)學(xué)中，在實(shí)驗(yàn)室中控制干細(xì)胞的分化是至關(guān)重要的，因?yàn)楦杉?xì)胞可以分化為體外器官的生長，并替代受損的成年細(xì)胞，特別是那些復(fù)制能力非常有限的細(xì)胞，如大腦或心臟。

科學(xué)家在分化干細(xì)胞時采用的一種常見方法是使用化學(xué)刺激物。雖然這種方法在制造單一類型的細(xì)胞方面非常有效，但它缺乏復(fù)制生物體復(fù)雜性的能力，在生物體中，多種細(xì)胞共存并協(xié)作形成一個器官。

另外，受細(xì)胞發(fā)育自然過程的啟發(fā)，另一種方法是將干細(xì)胞包裝成小細(xì)胞聚集物，或稱為胚狀體的球體。與真正的胚胎相似，胚體中細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用是分化的主要驅(qū)動因素。從這些胚狀體的產(chǎn)生過程中，我們發(fā)現(xiàn)胚狀體的細(xì)胞數(shù)量、大小和球形等參數(shù)會影響產(chǎn)生的細(xì)胞類型。

然而，由于科學(xué)家們無法控制這些參數(shù)，他們不得不費(fèi)力地生產(chǎn)大量的胚狀體，并選擇具有合適特性的特定胚狀體進(jìn)行研究。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)的研究人員轉(zhuǎn)向增材制造來控制胚胎體中的干細(xì)胞分化。他們的研究發(fā)表在《生物打印》雜志上。

博士生魯比姆卡·達(dá)斯(Rupambika Das)和助理教授哈維爾·G·費(fèi)爾南德斯(Javier G. Fernandez)采用了多學(xué)科的方法，結(jié)合了3D打印和生命科學(xué)的研究領(lǐng)域，3D打印了幾個具有精細(xì)調(diào)整幾何形狀的微型物理設(shè)備。他們使用該設(shè)備展示了前所未有的精確度，通過形成胚狀體定向分化干細(xì)胞。在研究中，他們成功地調(diào)節(jié)了增強(qiáng)心肌細(xì)胞生成的參數(shù)，心肌細(xì)胞是在心臟中發(fā)現(xiàn)的。

“增材制造領(lǐng)域正在以無與倫比的速度發(fā)展。我們看到的精確度、速度和成本水平在幾年前都是不可想象的。我們所證明的是，3D打印現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了幾何精度，可以控制干細(xì)胞分化的結(jié)果。在這樣做的同時，我們正在推動再生醫(yī)學(xué)在增材制造業(yè)加速發(fā)展的同時進(jìn)一步向前發(fā)展。

“3D打印技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在打印人工組織上，即使用帶有細(xì)胞的細(xì)胞來‘一塊一塊’構(gòu)建人工器官?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)證明了3D打印技術(shù)在仿生方法上的應(yīng)用潛力，我們可以控制細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室里的生長，就像它們在體內(nèi)生長一樣?！?/span>

2015年，來自清華大學(xué)和美國費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)的研究人員使用基于擠壓的3D打印技術(shù)制造了一個網(wǎng)格狀的3D結(jié)構(gòu)來生長胚狀體，該胚狀體顯示了細(xì)胞活力和7天的快速自我更新，同時保持了高多能性。

“打印這些細(xì)胞的另外兩種常用方法要么是二維的(在有蓋培養(yǎng)皿中)，要么是‘懸浮’法(在重力作用下，物質(zhì)被扔下，形成一個‘石筍’狀的細(xì)胞)。”研究人員表示，“然而，這些并沒有顯示出相同的細(xì)胞均勻性和同質(zhì)性增殖?！?/span>

“我認(rèn)為我們已經(jīng)創(chuàng)造了一個三維微環(huán)境，更像在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的培養(yǎng)胚狀體的環(huán)境，這解釋了更高水平的細(xì)胞增殖。” 研究人員希望這項(xiàng)技術(shù)能夠高通量生產(chǎn)胚狀體，為其他研究人員進(jìn)行組織再生實(shí)驗(yàn)和/或藥物篩選研究提供基礎(chǔ)基礎(chǔ)。

2019年4月，以色列研究人員用人類細(xì)胞制作了一枚完整的3D打印心臟，為世界首例。雖然這顆心臟不會跳動，而且太小不能用于人類——它只有兔子的心臟大小。但這個小器官被認(rèn)為是正在努力尋找治療心臟病的新方法的一大進(jìn)步。

2020年7月，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型生物墨水，使他們能夠創(chuàng)建一個功能性的3D打印的跳動的人類心臟。