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哈佛大学医学院 Y. Shrike Zhang（张宇）教授专注于创新生物医学工程技术，包括生物 3D 打印、器官芯片、微流控、生物分析等，以重建功能化组织及其仿生模型。其课题组在 Science、Nat Rev Mater、Nat Commun、PNAS、Matter、Adv Mater 等期刊上发表论文 260 余篇。
近日，Y. Shrike Zhang 教授团队在 Matter 报道了一种非常规的生物打印技术，称为冷冻生物打印，利用生物打印和低温保存方法协同，通过使用新型打印装置和生物墨水，打印的生物组织可以被储存较长时间，并在需要时进行解冻/交联以及复苏后的培养和使用。该技术的研发有望扩展生物打印的应用，如可储存的生物组织和组织模型，以便可以随时运送到所需的地点。该研究成果以“Freeform cell-laden cryobioprinting for shelf-ready tissue fabrication and storage”为题。
图 | 相关论文（来源：Matter）
为了解决这个挑战，生物墨水的设计十分重要，以便在生物打印和冷冻储存/复苏期间有效保存细胞。研究表明，冷冻保护剂（CPA）在消除或减少冰晶形成中有关键作用。在没有 CPA 的情况下，冰晶会大量快速生长，从而破坏细胞膜而危害细胞的生存能力。
二甲基亚砜（DMSO）是一种传统的 CPA，广泛用于低温保存，以减少冰晶的形成。此外，分子量较大的 CPA 可以保护细胞免受细胞外高渗造成的渗透损伤。如各种二糖如蔗糖、海藻糖、乳糖、和麦芽糖，以及三糖如麦芽糖和棉子糖等，都显示出良好的低温保护作用。
文中强调的设计，是一种同时进行生物 3D 打印和低温保存细胞承载组织构建的方法。简单来说，就是通过设计一个冷冻板，其在打印过程中可以允许精确的温度控制，从而在低温可控条件利用含有 CPA 和活细胞的生物墨水打印生物组织。具体如下图，该装置里，载细胞生物墨水在严格控制温度的冷冻板上进行低温生物打印，并在低温条件下长期保存。在随后的培养之前，低温生物打印的结构可以运输至需要的地点进行复苏和交联，以及随后的使用。
图 | 用于同时实现低温保存组织结构的冷冻生物打印示意图（来源：Matter）
图 | 样品冷冻生物打印构建的仿真模拟和实际结构（来源：Matter）
随后，为了进一步验证这项技术，该团队利用间充质干细胞成骨、成脂和成软骨分化后细胞的功能性来考察打印后生物组织的存活、增殖和分化能力。有趣的是，该设计证明了冷冻生物打印的细胞载体可以有效保证细胞的存活率和功能性。除此之外，该研究也核实了低温生物打印的组织能够维持其诱导血管生成的能力，从而说明了此类设计没有对细胞或者生长因子造成损害。
该研究重要的亮点就是设计了一个用于构建低温条件的冷冻板，这是保证细胞活性微环境的关键组件，同时，该装备也会保存细胞、保证生物打印组织的功能和表面细胞的生存提供了有效性，为骨组织工程或者细胞组织模型打开了一个崭新的创新之路。
基于该研究，人们可以想象，细胞在此微环境下能够生存并且可以通过该设计打印特定的生物组织和器官，并保证了组织细胞的增殖和分化能力，这种创新设计可对于任何医院，任何一个病人来说，都可以说是福音，因为它可以为患者量身定制一个具有活性细胞载体的组织和器官，并且可以提前制备和储存以备不时之需，对于提高患者的生存和组织修复等都是莫大的帮助；当然，对于体外组织模型的可转运性和现货率亦有很大的提高。
