超级高效的3D生物打印机可以帮助加快药物开发

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3D打印机可以快速生产大量定制生物组织，有助于加快药物开发，降低成本。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了高通量生物打印技术，该技术以创纪录的速度3D打印——它可以在30分钟内生成96孔的活体人体组织样本。研究人员说，拥有快速生产这种样本的能力可以加速高通量临床前药物筛选和疾病建模。

制药公司开发一种新药的过程可能长达15年，耗资高达26亿美元。它通常从在试管中筛选数万种候选药物开始。然后，成功的候选人将接受动物实验，通过这一阶段的候选人将进入临床试验。幸运的话，这些候选药物中的一种将作为FDA批准的药物进入市场。

加州大学圣地亚哥分校开发的高通量3D生物打印技术可以加速这一过程的第一步。这将使药物开发人员能够迅速建立大量的人体组织，从而更早地测试和淘汰候选药物。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授陈少晨说:“通过人体组织，你可以获得更好的数据——关于药物如何起作用的真实人体数据。”“我们的技术可以创造出高通量、高重复性和高精度的这些组织。这可以真正帮助制药行业快速识别并专注于最有前途的药物。”

这项工作发表在杂志上生物制造．

研究人员指出，虽然他们的技术可能无法消除动物实验，但它可以最大限度地减少在这一阶段遇到的失败。

“我们在这里开发的是复杂的3D细胞培养系统，它将更接近于模拟实际的人体组织，有望提高药物开发的成功率，”陈晓峰实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者游尚廷说。

高通量3D生物打印机可以快速生成的几何图形示例。

这项技术不仅在分辨率上与其他3D生物打印方法竞争——它打印出具有复杂微观特征的逼真结构，例如含有血管网络的人类肝癌组织——而且在速度上也可以与其他3D生物打印方法竞争。用Chen的技术打印一个组织样本大约需要10秒;用传统方法打印相同的样品需要数小时。此外，它还具有直接在工业井板上自动打印样品的额外好处。这意味着样品不再需要手动从打印平台一次一个地转移到孔板上进行筛选。

Chen说:“当你将其扩大到96孔板时，你就会在节省时间上有很大的不同——使用传统方法至少需要96个小时，加上样品转移时间，而使用我们的技术总共大约需要30分钟。”

可重复性是这项工作的另一个关键特征。Chen的技术生产的组织是高度有组织的结构，所以它们可以很容易地复制用于工业规模的筛选。Chen解释说，这与种植类器官进行药物筛选是不同的方法。“使用类器官，你将不同类型的细胞混合在一起，让它们自我组织，形成一个不受良好控制的3D结构，并且可以在不同的实验中有所不同。因此，对于相同的性质、结构和功能，它们是不可复制的。但通过我们的3D生物打印方法，我们可以精确地指定在哪里打印不同的细胞类型、数量和微结构。”

工作原理

为了打印他们的组织样本，研究人员首先在电脑上设计生物结构的3D模型。这些设计甚至可以来自医疗扫描，因此它们可以针对患者的组织进行个性化设计。然后，计算机将模型切片成2D快照，并将它们传输到数百万个微观大小的镜子上。每个镜子都是数字控制的，以这些快照的形式投射出波长为405纳米的紫光图案，这对细胞是安全的。光模式被照射到含有活细胞培养物和光敏聚合物的溶液上，这些聚合物在光照下固化。该结构以连续的方式一次快速打印一层，创建一个3D固体聚合物支架，封装活细胞，这些活细胞将生长并成为生物组织。

数字控制微镜阵列是打印机高速运行的关键。由于它在逐层打印时将整个2D图案投射到基材上，因此它生成3D结构的速度比其他打印方法快得多，其他打印方法使用喷嘴或激光逐行扫描每一层。

Chen实验室的纳米工程博士生Henry Hwang也是这项研究的共同第一作者，他说:“一个类比是比较用铅笔和用邮票画形状的区别。”“用铅笔，你必须画出每一条线，直到你完成形状。但有了图章，你就能一次标记出整个形状。这就是数字微镜设备在我们技术中的作用。这是速度上的数量级差异。”

这项最新的工作建立在陈的团队在2013年发明的3D生物打印技术的基础上。它最初是一个为再生医学创造活的生物组织的平台。过去的项目包括3D打印肝组织，血管网络，心脏组织而且脊髓植入物，举几个例子。近年来，陈的实验室已经扩大了他们的技术在打印上的应用coral-inspired结构海洋科学家可以用它来研究藻类生长，并帮助珊瑚礁恢复项目。

现在，研究人员已经将这项技术自动化，以便进行高通量的组织打印。阿莱格罗3D公司是加州大学圣地亚哥分校的一家衍生公司，由陈和他实验室的纳米工程博士朱伟共同创立，该公司已经获得了这项技术的授权，并于最近推出了一款商业产品。

:“多孔板的高通量直接3D生物打印合著者包括马宣义、kleilani、Grace Victorine、Natalie Lawrence、万学义、沈海旭和朱伟。

这项工作得到了美国国立卫生研究院(R01EB021857, R21AR074763, R21HD100132, R33HD090662)和美国国家科学基金会(1903933,1937653)的部分支持。