生物3D打印迎来新突破！科学家将氧敏感型纳米颗粒应用于凝胶材料

摘要：

本文所要讲述的新技术能够无创监测细胞中的氧代谢，这些细胞将通过生物3D打印技术组成复杂的生命结构。这对研究细胞生长和细胞间的相互作用具有重要意义。例如，通过设计3D打印的构建体，将其做成与生物体类似的组织结构，达到提高生物膜中微藻的生产率的效果，亦或为干细胞提供更好的氧环境，这些干细胞主要用于骨骼和组织结构的重建。

哥本哈根大学生物系教授Michael Kühl领导的国际研究团队刚刚宣布在生物3D打印领域取得了重大突破。Kühls教授与德累斯顿工业大学（骨骼、关节和软组织再生研究中心）的同事一起，将氧敏感型纳米颗粒应用于凝胶材料，该材料可用于复杂的生物膜和组织结构的3D打印，其中包含活细胞以及内置化学传感器。这项研究成果刚刚发表在材料科学领域的核心期刊Advanced Functional Materials上。

Kühl解释道：“3D打印是一种广泛应用于塑料、金属和其他非生物材料进行产品制造的技术。同样地，活细胞也可以在生物相容性良好的凝胶材料（生物标记墨水）中进行3D打印，并且这种生物3D打印是一个飞速发展的领域，例如在生物医学研究中，干细胞被放置在3D打印的组织结构中进行培养，这种组织结构与复杂的生物组织和骨骼相似。这种尝试缺乏对细胞代谢活性的实时监测，这些细胞生长在生物3D打印的构建体中；目前，这种实时监测主要依赖于破坏性采样。我们已经为该问题提出了可行性解决方案，并且正在申请专利。

该科研团队通过将发光型氧敏感纳米颗粒添加到打印材料中，研发出了功能性生物标记墨水。当蓝光刺激纳米粒子时，它们将发出与局部氧气浓度成比例的红光。氧气越多，发出的红光越少。可以用相机系统对3D打印的生物结构所发出的红光进行拍摄，进而对含氧量的分布进行准确表达。这就可以做到细胞内氧气分布和动力学的无创实时监测，无需破坏性取样就可以反映出生物3D打印构造中的细胞生长和分布。

Kühl继续说道：“最重要的是，在生物聚合物中添加纳米粒子不会改变其机械性能，因此在打印过程中就可以避免细胞受到应力而死亡。此外，还要避免纳米粒子抑制或干扰细胞。目前，我们已经解决了这个难题，我们的技术显示出良好的生物相容性，可以应用于微藻甚至是敏感的人类细胞系。”

最近发表的研究结果解释了：含有纳米传感器的生物标记墨水是如何被校准和用于监测具有一个或多个细胞类型的3D打印组织结构中藻类光合作用、呼吸作用以及干细胞的呼吸作用。

Kühl教授说：“这是生物3D打印领域的突破。我们现在可以实时监测细胞的氧代谢和微环境，并且无创监测完整的3D打印活体结构。能否在骨骼或组织结构中培养干细胞，关键在于确保细胞有足够的氧供应。随着技术的不断进步，我们现在可以在生物3D打印结构中实现氧气的可视化，这能够在3D打印设计的不同结构中快速评测和优化干细胞的生长。”

这支科研团队对开拓该技术的合作和应用领域具有浓厚的兴趣。Kühl 教授最后讲道：“具有功能性生物标记墨水的生物3D打印技术是一种新型的前沿技术。它可以应用于生物医学以外的许多其他领域。例如，将这种先进的材料科学和传感器技术与我在微生物学和生物光学方面的研究结合起来，同样会是一个鼓舞人心的项目。目前我们正在利用生物3D打印技术来研究微生物的相互作用和光生物学。”


原文来自：Science Daily，原文题目：3-D bioprinting of living structures with built-in chemical sensors，由材料科技在线团队编译。