目前，一項開創(chuàng)性的新技術正在為生物3D打印進行試用，這有可能徹底改變生物組織的設計方式。新加坡國立大學研究人員開發(fā)的新方法涉及使用激光技術對細胞培養(yǎng)發(fā)展的微觀環(huán)境進行更高程度的控制，這為最終產(chǎn)品的改進提供了廣泛的優(yōu)勢。

通常，生物3D打印包括將細胞植入到微型支架樣結構中，其中它們可以復制，最終以設計支架的生物工程師指導的方式形成新的組織。然而，該方法存在一定的缺點和局限性，細胞可以以非常低密度生產(chǎn)，但在體內的細胞擴散可能非常緩慢和不均勻。 研究人員已經(jīng)提出并試用了大量其他方法，包括使用微流體過程或使用磁性或機器人技術控制細胞復制。大多數(shù)這些所謂的“自上而下組裝”過程也存在一些限制，例如限制材料選擇和有限的生物相容性。


一種取得成功的新選擇是輕型技術，這種技術通常利用被稱為“光學鑷子”的高強度激光器，其可以對微尺度上的物體操縱提供高水平的控制。激光器由自動電機控制，用虛擬3D模型編程，其將細胞的復制指導到期望的結構或圖案中。該方法的問題是激光器的高功率可能導致生物樣品池的損壞。 理想的解決方案是，使用相對較低功率的激光器的光導組裝技術進行3D打印組織。研究人員最近進行了一些有希望的研究，表明這是一個可能性。開創(chuàng)性的研究項目由生物工程系學生Dinh Ngoc Duy、Rongcong Luo、Maria Tankeh Asuncion Christine、Weikang Nicholas Lin、Wei-Chuan Shih、James Cho-Hong Goh和Chia-Hung Chen-PhD進行，新加坡國立大學在著名的在線期刊“Wiley”上發(fā)表了用新型近紅外（近紅外激光）方法3D打印干細胞負載微凝膠的結果，并且還提交了一項美國專利。


該團隊的創(chuàng)新是利用被納入微環(huán)境的金納米棒（GNR）。這些金屬棒的存在意味著更多的光從激光器吸收并隨后轉換成熱能。由于金納米棒提供的熱吸收性能的改善，使用較低強度的激光器可以對結構進行更多的控制，并且可以集成不同的建筑單元。 為了測試不同單位的改進精度和整合度，使用了特殊的水凝膠。吸收的熱能在該水凝膠中產(chǎn)生對流，并且控制這些熱對流的方向能夠構建特定的結構。通過引導激光，可以以特定的方式組裝顆粒，而不需要任何種類的支架。


此外，間充質干細胞接種的水凝膠微粒被制備為功能性構建塊，以構建具有所需結構的無支架組織。在這種情況下，結構的“構建塊”是水凝膠內的干細胞，并且NIR方法使生物結構能夠在短時間內在微環(huán)境中成功構建。 低激光強度NIR方法可以更好地控制對流方向，而不會犧牲不同應用的“吞吐量”，并且對生物樣品的損害較小。NIR激光作為手術中的“黃金工具”，其有可能以前所未有的3D打印方式工作。技術提供的前所未有的精確程度意味著它可以擁有廣泛的用途，不僅僅是生物打印，還有再生醫(yī)學、組織工程和先進制造的生物制造。