《Small Methods》受俄罗斯套娃启发！科学家研发出“嵌套式”生物3D打印技术，解锁器官制造新姿势

当生物3D打印遇见俄罗斯套娃

想象一下，俄罗斯套娃层层嵌套的精巧结构，竟能启发科学家突破生物制造的难题！近日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在《Small Methods》期刊发表了一项创新成果——“嵌套式生物3D打印（IEB）”（IF:10.7）。这项技术通过仿效套娃的嵌套原理，首次实现了在已打印的生物结构内部进一步制造更复杂的血管、神经甚至肿瘤模型，为器官工程和癌症研究开辟了新路径。

IEB技术：如何“套娃式”打印器官？

传统生物3D打印面临两大难题：软质生物墨水易受重力变形，以及复杂内部结构（如血管）难以同步构建。而IEB技术通过两步策略巧妙解决：

外层支撑结构打印：使用一种基于黄原胶（Xanthan Gum）的材料作为“墨水”和“支撑浴”。这种材料具有剪切稀化（受力时变稀，便于打印针头穿透）和自愈合（外力消失后恢复固态）特性，可稳定支撑后续打印。

内部嵌套打印：在已固化的外层结构中，进一步打印血管网络（牺牲性墨水）、细胞团（如肿瘤球体）或其他功能结构。

说明 IEB 及其应用程序的分步过程的示意图

专业术语小课堂：

剪切稀化：材料在剪切力（如打印针头移动）下粘度降低，便于流动；停止后恢复高粘度，固定结构。

牺牲性墨水：打印后可通过溶解移除，留下中空通道（如血管）。

黑科技材料：黄原胶的“双重身份”

研究团队开发的XaGMA/GelMA复合水凝胶是IEB的核心材料。

XaGMA 和 GelMA 的合成和交联

通过化学修饰黄原胶和明胶，赋予其以下特性：

高生物相容性：支持细胞存活率超90%，适合长期培养。

可控降解：9天内仅失重30%，满足组织工程的时间需求。

精准打印：通过调节流速和针头速度，可打印直径100-600微米的细丝，精度达50微米！

应用案例：从胰腺模型到“套娃肿瘤”

迷你胰腺模型：包含仿生血管和胆管，尺寸仅18×9×6毫米，透明结构支持实时观察。未来可扩展至全尺寸器官，用于外科训练或药物测试。

头部模型与套娃结构：四层嵌套的头部模型（颅骨、大脑皮层等）和经典俄罗斯套娃，展示IEB制造复杂几何体的能力。

乳腺癌芯片：在脂肪细胞构建的“乳腺环境”中嵌套肿瘤球体，并模拟血管灌注抗癌药物（如阿霉素）。实验证实，药物通过血管扩散可显著缩小肿瘤体积（p ≤ 0.05），为个性化治疗提供新平台。

打印嵌套结构

开发的癌症芯片模型的示意图

未来展望：器官制造的“乐高时代”

IEB技术的突破在于多技术融合——结合挤出式打印（EBB）和抽吸辅助打印（AAB），实现“结构+功能”同步构建。未来，科学家计划拓展更多生物材料，并探索其在神经、心脏等复杂器官中的应用。或许不久后，按需打印定制化器官将不再是科幻剧情！

文献原文: 10.1002/smtd.202301325

文献链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11187694/

关于赛箔生物

赛箔（上海）智能科技有限公司是一家专注于研发生物制造技术和组织工程产品的高新技术企业，成立于2021年2月。自主研发多种已经获得国家发明专利授权的生物3D打印技术和装备、生物材料、体外细胞和组织培养技术、组织处理和培养装置。基于核心技术开发多种器官组织模型和相应的检测评价服务，为基础研究、新药研发、精准医疗、再生医学等领域提供生物3D打印全产业链解决方案，实现了从设备到产品到服务的全面覆盖。

在肿瘤相关领域，赛箔与合作者共同研发基于生物3D打印技术构建的肿瘤微组织（PDT），涵盖十余个癌种，包括高发肿瘤、难治肿瘤、妇科肿瘤和儿童肿瘤，培养成功率超过了90%。通过近千例样本研究，证实PDT与患者组织具有高度一致的分子特征和药物敏感性，1-2周即可获得准确的药敏检测结果，为治疗赢取宝贵时间，并且可为新药研发企业提供药效评价、入组标准建立、适应症筛选等服务。在再生相关领域，赛箔已建立多种3D组织工程皮肤，包括表皮模型、全层皮肤模型、黑素皮肤模型等，并相应开发多种体外功效测试方法。