金纳米棒控制生物打印的新NIR激光3D打印技术

目前，一项开创性的新技术正在为生物3D打印进行试用，这有可能彻底改变生物组织的设计方式。新加坡国立大学研究人员开发的新方法涉及使用激光技术对细胞培养发展的微观环境进行更高程度的控制，这为最终产品的改进提供了广泛的优势。

通常，生物3D打印包括将细胞植入到微型支架样结构中，其中它们可以复制，最终以设计支架的生物工程师指导的方式形成新的组织。然而，该方法存在一定的缺点和局限性，细胞可以以非常低密度生产，但在体内的细胞扩散可能非常缓慢和不均匀。研究人员已经提出并试用了大量其他方法，包括使用微流体过程或使用磁性或机器人技术控制细胞复制。大多数这些所谓的“自上而下组装”过程也存在一些限制，例如限制材料选择和有限的生物相容性。


一种取得成功的新选择是轻型技术，这种技术通常利用被称为“光学镊子”的高强度激光器，其可以对微尺度上的物体操纵提供高水平的控制。激光器由自动电机控制，用虚拟3D模型编程，其将细胞的复制指导到期望的结构或图案中。该方法的问题是激光器的高功率可能导致生物样品池的损坏。理想的解决方案是，使用相对较低功率的激光器的光导组装技术进行3D打印组织。研究人员最近进行了一些有希望的研究，表明这是一个可能性。开创性的研究项目由生物工程系学生Dinh Ngoc Duy、Rongcong Luo、Maria Tankeh Asuncion Christine、Weikang Nicholas Lin、Wei-Chuan Shih、James Cho-Hong Goh和Chia-Hung Chen-PhD进行，新加坡国立大学在著名的在线期刊“Wiley”上发表了用新型近红外（近红外激光）方法3D打印干细胞负载微凝胶的结果，并且还提交了一项美国专利。


该团队的创新是利用被纳入微环境的金纳米棒（GNR）。这些金属棒的存在意味着更多的光从激光器吸收并随后转换成热能。由于金纳米棒提供的热吸收性能的改善，使用较低强度的激光器可以对结构进行更多的控制，并且可以集成不同的建筑单元。为了测试不同单位的改进精度和整合度，使用了特殊的水凝胶。吸收的热能在该水凝胶中产生对流，并且控制这些热对流的方向能够构建特定的结构。通过引导激光，可以以特定的方式组装颗粒，而不需要任何种类的支架。


此外，间充质干细胞接种的水凝胶微粒被制备为功能性构建块，以构建具有所需结构的无支架组织。在这种情况下，结构的“构建块”是水凝胶内的干细胞，并且NIR方法使生物结构能够在短时间内在微环境中成功构建。低激光强度NIR方法可以更好地控制对流方向，而不会牺牲不同应用的“吞吐量”，并且对生物样品的损害较小。NIR激光作为手术中的“黄金工具”，其有可能以前所未有的3D打印方式工作。技术提供的前所未有的精确程度意味着它可以拥有广泛的用途，不仅仅是生物打印，还有再生医学、组织工程和先进制造的生物制造。