机器人手臂正在堆积二维组织层。
由于缺乏器官捐献者，每天大约有20人在等待器官移植时死亡。美国加州大学伯克利分校的研究人员或将改变这一状况：他们开发了一种设备，可能对生物打印的可行性至关重要。生物打印是3D打印的延伸，可以根据需要打印活体组织、骨骼、血管甚至整个器官。相关论文近日发表在《医疗器械杂志》上。
目前，器官打印存在两大障碍：首先，由于活细胞和功能器官需要特殊的温度和化学条件才能存活，细胞在大型器官的缓慢3D打印过程中会恶化。其次，即使器官可以3D打印出来，运送器官也需要储存，这一直是器官移植的瓶颈。
为了尽可能减少细胞在器官3D打印过程中死亡，伯克利大学的研究人员开发了一种并行化技术，即多个打印机同时生成二维组织层。然后将这些2D层逐层堆叠，形成3D结构。
同时，为了解决人造器官的储存问题，研究小组利用了有70年的知识和技术储备来保存单个细胞，将每一层二维细胞融合成三维结构后立即进行冻结，而冷冻单层细胞的过程为细胞在冻结、储存和运输过程中存活提供了最佳条件。
“目前，生物打印主要用于制造一小块组织。3D生物打印非常缓慢，所以不能打印任何大的东西，因为生物材料会在打印完成时变质。我们的创新之一是，在打印时将材料冷冻，这样生物材料就可以保存下来，我们还可以控制冷冻速度。”机械工程教授、论文合著者Boris Rubinsky说。
Rubinsky还指出，他的团队通过打印2D组织，然后在不同的站点将其组装成3D物体，减少了打印时间，显著加快了生产速度。在生物打印生产线平行地制造出多层二维组织后，机器人手臂将这层组织拿起来，送到另一个工作站。在那里，组织被堆叠在一起，形成一个三维物体，并通过冷冻融合。“当一层层2D组织层堆积形成3D结构时，我们将其浸入低温槽中冷冻，更准确地控制了冷冻速度。”研究报告的合著者Joseph Sahyoun说。
除了器官，这项技术的另一个潜在应用是食品业。逐层打印和组装可以让制造商开发不同的食物纹理，还能帮助他们开发出满足吞咽困难病人需求的食物。“吞咽困难在老年人群中很常见。因为吞咽困难，他们吃的食物基本上是糊状的，所以也没有胃口，而且这个问题会逐渐恶化。”Rubinsky说。但如果能做出有质感的食物，这可能会促进食欲。当病人咀嚼的时候，食物会在嘴里融化，这样他们就可以吞咽食物并获得营养。我们的技术可以用任何一种食物做到这一点。”他指出，这项技术还有助于发展冷冻食品的工业规模制造，食品中的冰晶结构在整个产品的单细胞层受到精心控制。Rubinsky说：“这很重要，因为冰晶的大小和冰晶的均匀性是冷冻食品质量的核心因素。”
虽然利用叠加薄层来创建3D物体的概念对制造业来说并不新鲜，但用生物材料来做这件事却很新颖。研究团队使用了精心设计的亲水性和疏水性刚性表面，在其上打印出二维层。这些特殊设计的层允许二维层不受重力方向的影响进行跨距离传输，进而放置在三维物体上。在未来的研究中，Ukpai等新一代工程硕士学生将致力于更好地优化这一过程，确定产品的特性和适用的场景，以发挥最大的优势。
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编译：花花
责编：唐林芳
期刊来源：《医疗器械杂志》
期刊编号：1932-6181
原文链接：
https://techxplore.com/news/2019-04-device-paves-d-printed-food.html
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