生物打印机加速药物开发

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了这种高通量生物打印它可以在30分钟内制造出96孔的活体人体组织样本。研究人员说，有能力快速生产这样的样本可以加快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需要长达15年的时间，成本高达26亿美元。它通常从在试管中筛选数以万计的候选药物开始。成功的候选者将在动物身上进行测试，任何通过这一阶段的候选者将进入临床试验。如果幸运的话，这些候选药物中有一种将作为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快这一过程的第一步。它将使药物开发人员能够迅速建立大量的人体组织，以便在其上进行测试，并更早地淘汰候选药物。

“与人类组织加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的纳米工程教授陈少辰说。“我们的技术可以创造出高通量、高重现性和高精度的组织。这真的可以帮助制药行业迅速识别并专注于最有前景的药物。”

研究人员指出，虽然他们的技术可能不会消除动物试验，但它可以最大限度地减少在那个阶段遇到的失败。“我们在这里开发的是复杂的3D细胞培养系统，它将更接近真实的人体组织，有望提高药物开发的成功率，”陈光诚实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者游尚婷(音)说。

这项技术不仅在分辨率上与其他3D生物打印技术相竞争——它打印出具有复杂的微观特征的栩栩如生的结构，比如含有血管网络的人类肝癌组织——而且速度也快。用陈的技术打印一个组织样本大约需要10秒;用传统方法打印同样的样品需要数小时。此外，它还有一个额外的好处，自动打印样品直接在工业孔板。这意味着样品不再需要一次一个地从印刷平台转移到筛板上进行筛选。

陈说:“当你将这种方法扩展到96孔板时，你会发现在节省时间方面有天翻地覆的不同——使用传统方法加上样品转移时间至少可以节省96小时，而使用我们的技术总共只需要30分钟。”

重现性是这项工作的另一个关键特点。陈的技术生产的组织是高度组织化的结构，所以它们可以很容易地复制用于工业规模的筛选。陈解释说，这是一种不同于为药物筛选而种植类器官的方法。”瀑样你是在混合不同类型的细胞，让它们自我组织，形成一个无法很好控制的3D结构，而且在不同的实验中会有所不同。因此，对于相同的性质、结构和功能，它们是不可复制的。但有了我们的3D生物打印方法，我们可以精确地确定在哪里打印不同的细胞类型、数量和微结构。”

它是如何工作的

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学扫描，因此它们可以针对患者的组织进行个性化。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显微镜大小的镜子上。每个镜子都经过数字控制，以这些快照的形式投射出紫外光的图案——波长为405纳米，这对细胞来说是安全的。这些光模式被照射到含有活细胞培养物和光敏感聚合物的溶液上，这些聚合物在光照下会固化。该结构以连续的方式快速打印一层一层，创造出一个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。

数字控制的微镜阵列是打印机高速运转的关键。由于它在逐层打印时将整个2D图案投射到基板上，所以它产生3D结构的速度要比其他打印方法快得多，后者使用喷嘴或激光逐行扫描每一层。

陈教授实验室的纳米工程博士生亨利·黄(Henry Hwang)是这项研究的第一作者之一，他说:“这就好比是比较用铅笔和邮票绘制形状的区别。”“用铅笔，你必须画出每一条线，直到你完成形状。但有了印章，你就能一下子标记出整个形状。这就是数码微镜设备在我们技术中的作用。在速度上有数量级的差别。”

这项研究发表在《生物制造》杂志上。