2018/11/02
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3D打印内置化学传感器在生物结构中的应用
一种新方法能够无创监测细胞中的氧代谢，这些细胞被3D生物打印成复杂的生命结构。这对细胞生长和相互作用的研究具有重要意义，例如在类似组织条件下，以及3D打印结构的设计，促进生物膜中微藻的更高生产力或用于骨和组织重建努力的干细胞的更好氧供应。
由哥本哈根大学生物系Michael Kühl教授领导的国际研究团队发布了3D生物打印方面的突破。Kühls教授与德累斯顿技术大学（骨转移，关节和软组织研究中心）的德国同事一起，将氧敏感纳米粒子用于凝胶材料，可用于复杂，生物膜和组织样结构的3D打印活细胞以及内置化学传感器。这项工作刚刚发表在领先材料科学期刊《Advanced Functional Materials》上。
Kühl解释说：“3D打印是一种广泛的技术，用于生产塑料，金属和其他非生物材料中的物体。同样，活细胞可以用生物相容性凝胶材料（bioinks）进行3D打印，这种3D生物打印是一个快速发展的领域，例如在生物医学研究中，干细胞以3D印刷结构培养，模仿组织和骨骼的复杂结构。这种尝试缺乏对生物打印结构中生长的细胞代谢活动的在线监测;目前，这种测量很大程度上依赖于破坏性采样。已经开发出一个正在申请专利的解决方案。”
该小组通过将发光氧敏感纳米颗粒实施到印刷基质中来开发功能化生物链。当蓝光激发纳米粒子时，它们发出与局部??氧气浓度成比例的红色发光 - 氧气越多，红色发光越少。可以用相机系统对生物打印的生物结构上的红色发光和因此氧的分布进行成像。这允许氧气分布和动力学的在线，非侵入性监测，其可以映射到3D生物打印构造中的细胞的生长和分布，而无需破坏性取样。
Kühl继续说道：“重要的是纳米粒子的添加不会改变生物聚合物的机械性能，例如在印刷过程中避免细胞应力和死亡。此外，纳米粒子不应该抑制或干扰细胞。我们有解决了这些挑战，因为我们的方法显示出良好的生物相容性，可以与微藻以及敏感的人类细胞系一起使用。”
最近发表的研究证明了如何校准和使用用传感器纳米颗粒功能化的bioinks，例如，用于监测具有一种或几种细胞类型的生物打印结构中的藻类光合作用和呼吸作用以及干细胞呼吸。
“这是3D生物打印的一个突破。现在可以在线监测细胞的氧代谢和微环境，并在完整的3D打印生命结构中非侵入地监测，”Kühl教授说。 “在较大的组织或骨骼样结构中培养干细胞的关键挑战是确保为细胞提供足够的氧气。随着我们的发展，现在可以可视化3D生物打印结构中的氧气条件，例如快速实现在不同设计的构建体中测试和优化干细胞生长。”
该团队非常有兴趣探索他们开发的新合作和应用。
Kühl结束：“使用功能化生物链接的3D生物打印是一种新的强大技术，可以应用于生物医学以外的许多其他研究领域。例如，将这些先进的材料科学和传感器技术与我在微生物学和生物光子学方面的研究结合起来非常鼓舞人心。目前正在使用3D生物打印来研究微生物相互作用和光生物学。”
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