微流控液滴生物打印技术研究进展

生物打印技术可精准控制细胞在三维空间中的排布，是体外制造人工组织器官的主要方法，对病变器官移植修复等可再生医学和人体疾病体外模型构建及高通量药物筛选等具有重要价值。然而，传统的生物打印技术制造的人工组织器官虽然已经在宏观形状上实现了与真实组织器官的相似性，但在微观尺度上常常不能匹配生物体的细胞构成精度及复杂性，这制约了人工组织器官的精准功能化。可以说，细胞的打印精度及复杂性已经成为了生物打印技术进一步发展的瓶颈难题。

微流控是一种具备在微尺度上精准调控单细胞行为的技术，以微流控技术革新传统生物打印技术而提升细胞打印的精准及复杂性已经成为近年来的发展趋势。该论文着重综述了微流控液滴生物打印技术原理及方法，这种技术交叉一方面使得传统液滴生物打印技术难以实现的单细胞打印、多细胞同时打印和液滴内细胞组成调控成为可能，同时基于这种技术革新产生了以往不能实现的诸多应用。

近日，北航机械工程及自动化学院张鹏飞教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology撰写了题为“Printhead on a chip: empowering droplet-based bioprinting with microfluidics”的前瞻性综述论文，该工作提出了基于微流控芯片构建打印头（printhead on a chip）的概念，系统的阐述了微流控技术与生物打印技术交叉的新型液滴生物打印技术的原理和方法，总结了这种技术交叉产生的新应用，并提出了需要解决的关键问题及未来的发展趋势。张鹏飞教授为论文的第一作者和通讯作者，加州大学旧金山分校（UCSF）Adam Abate教授为论文的共同通讯作者，北航机械学院陈华伟教授为论文共同作者。

图1 微流控液滴生物打印技术

作者在论文中根据微流控生物打印过程中的液滴产生原理，对微流控液滴生物打印技术进行了分类，涵盖了类喷墨式、声场、电流体动力场、气流剪切和液体支持浴等。作者详细阐述了这些基于不同原理实现的微流控液滴生物打印技术的实现方式、打印原理以及构建打印头时需要考量的因素。这些多样的打印技术具备不同的特点和适用场景，很大程度上丰富了液滴生物打印的可选择性和可应用性。特别是，通过集成微流控打印头，在液滴打印过程中可实现细胞打印的原位检测与筛选，从而使得单细胞精度的打印成为了可能；通过芯片上调控包覆细胞的液滴的分散、汇聚和筛选，可精准调控打印液滴内的细胞数目及种类；通过在芯片上构建多流道调控生物墨水打印行为，可实现多种类细胞及生物墨水在液滴内空间排布的控制。此外，这种技术交叉还使得具有高密度细胞的生物墨水打印、细胞微球和类器官精准打印制造及选择性打印等成为可能。

图2 微流控液滴生物打印技术分类

生物打印技术能力的提升有助于人工组织器官的精准制造，该论文详细综述了新技术突破在微尺度生物制造及应用上的创新，并特别聚焦于单细胞分析、高通量筛选、细胞微球/类器官打印制造以及微尺度组织制造等。传统生物打印技术难以精准地实现单细胞打印，而微流控液滴生物打印技术在单细胞打印方面取得了显著突破，这为单细胞克隆、单细胞PCR和单细胞多组学研究提供了技术支撑；此外，以单细胞或细胞群簇打印构建的细胞阵列有助于高通量的药物及细胞代谢筛选分析。特别是，微流控液滴打印技术在细胞微球/类器官的制造方面提供了多维度的打印控制，可以通过单细胞精度打印精准控制细胞微球/类器官的大小及组成，可以调控细胞微球/类器官内部多种细胞的空间分布，还实现了单个细胞微球/类器官的高通量精准打印来构建类器官芯片等。在微尺度组织制造方面，同传统技术相比，微流控液滴生物打印可以在单细胞精度上制造三维微组织、实现多种类细胞和模块化构建复杂精准人工组织。

图3 微流控液滴生物打印技术的应用

最后，作者总结了现阶段存在的问题及未来的发展趋势。为了进一步拓宽微流控液滴生物打印技术的应用，在打印系统简化及标准化方面需要做出努力；同时，微流控液滴生物打印现阶段只采用了了几种基本微流控模块，更多先进微流控模块的开发利用能进一步提升打印系统的能力；在与其它技术集成方面，人工智能、多模式实时检测分析和多能场高精细胞分选等技术可以在未来提升打印系统的智能化。在未来的应用前景方面，作者认为微流控生物打印技术将在多尺度人工组织制造方面取得突破，使得微组织制造更精准、通量更高，使得宏观尺度组织构建精度更高、复杂度及功能性更加匹配生物本体，在精准组织工程与可再生医学等领域将有巨大应用潜力。

审核编辑：刘清