美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL，
世界上第一颗原子弹在此诞生
)的研究人员开发了一种 3D 打印灌注生物反应器 (3D-PBR)，旨在改善人类骨髓间充质干细胞 (MSC) 的生长和分化方式。
在美国新墨西哥大学(UNM)的协助下，该设备还支持与血管细胞共培养。这款紧凑型设备旨在解决基本细胞培养模型的局限性，同时捕捉真实组织环境的复杂性，旨在使细胞分化研究更加实用和精确。
3D-PBR的相关研究成果发表在近期的
scientific reports《科学报告》杂志上，该设备采用Formlabs 3B低力立体光刻 (SLA) 3D 打印机制成，依靠由甲基丙烯酸酯单体和聚氨酯二甲基丙烯酸酯组成的生物相容性树脂。打印后，研究人员用异丙醇仔细清洁组件，并在 60°C 的紫外线下固化 30 分钟，这一过程不仅确保了结构稳定性，还提高了成像清晰度。
完全组装的 3D-PBR 系统，带有模块化蠕动泵和 3D 打印细胞培养基储存器。照片来自 LANL。
双室设置支持细胞相互作用
这款设备的独特之处在于其设计，其两个隔室由一个孔径为 0.4 µm 的多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 膜隔开。该膜允许介质在隔室之间传输和细胞相互作用，而不会影响隔室之间的分离。
一个隔间专为血管细胞设计，包括用于控制液体流动的鲁尔锁端口，并有一个矩形通道，尺寸为 11.8 毫米 × 4.8 毫米 × 0.8 毫米。另一个隔间专为 MSCs 设计，有一个椭圆形通道，尺寸为 15.8 毫米 × 4.8 毫米 × 0.8 毫米。尽管设计复杂，但整个系统（包括蠕动泵和 3D 打印培养基储存器）的体积却只有 60 立方英寸。
研究人员选择了这种树脂基聚合物，而不是常用的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)，后者经常会遇到分子吸收和制造限制等问题。新方法提供了更大的灵活性和耐用性，可以实现更复杂的结构，更适合各种实验条件。
在实验过程中，研究团队在胶原纤维蛋白凝胶中培养 MSC，这种材料之所以被选中，是因为它能够提供结构支撑并模拟细胞外基质条件。他们制备了 MSC 浓度为 3.8 × 10⁴ 细胞/毫升的凝胶用于骨分化，2.6 × 10⁵ 细胞/毫升用于脂肪分化。
同时，将人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 以 1 × 10⁶ 细胞/mL 的浓度引入血管室，在 21 天内形成融合单层。为了进一步增强分化过程，研究人员采用了 23 µL/min 和 100 µL/min 的流速，已知这可以促进骨生成条件。
随后，该团队使用荧光显微镜评估 MSC 在 3D-PBR 中的分化情况。VE-Cadherin、ActinRed™ 555 和 NucBlue 等成像标记物提供了清晰的细胞结构和相互作用的视觉效果。结果令人鼓舞，MSC 显示出高活力，MSC 为 92%，HUVEC 为 91%。
更重要的是，与静态条件相比，在 3D-PBR 中培养的细胞表现出增强的分化，表现出骨细胞结构更大的复杂性和成熟度以及更一致的脂肪细胞分化。
为了验证该装置的结构完整性，研究人员进行了 µCT 扫描，确认隔间密封良好，适合进行长期实验。这一步骤对于确保该装置设计的可靠性至关重要。
虽然结果令人鼓舞，但研究人员指出了一些局限性。他们的重点主要放在生物相容性和分化上，而没有研究血管细胞信号如何在分子水平上影响 MSC 生长。
由于需要不同类型的培养基，因此只有在 MSCs 开始分化后才能引入血管细胞，而该团队的目标是通过开发一种通用培养基和进行基因表达分析来解决这个问题。
展望未来，研究人员相信 3D-PBR 的紧凑设计、与标准实验室设备的兼容性以及适应性使其成为研究骨骼形成、脂肪分化和其他需要真实环境的组织工程应用的有价值的工具。
3D-PBR 中血管和 MS 隔室的组装过程。照片来自 LANL。
3D打印生物反应器的进展
3D 打印使研究人员能够快速创建支持更好的细胞生长和相互作用的紧凑、高效的设计，从而促进了生物反应器的发展。
例如，麻省理工学院(MIT) 和印度理工学院 (IIT) 马德拉斯分校的科学家利用 SLA 3D 打印和牙科树脂开发出一种3D 打印微流体生物反应器，用于培养人类脑组织。这种可重复使用的设备售价仅为 5 美元，是用于药物测试和治疗研究的商业培养皿的低成本替代品。
在测试过程中，与在传统培养皿中培养的干细胞相比，在生物反应器中培养的干细胞表现出更高的增殖和活力。这些细胞发育成新皮质状结构，并且在七天内活力没有下降。研究人员计划用阀门和泵来增强该设备，旨在实现高效、经济的药物测试和病原体相互作用研究。
阿根廷生物技术公司Stämm Biotech完成了 1700 万美元的 A 轮融资，利用其专有的 Brick Printing Technology 和 Sclereid 3D 打印机推进3D 打印生物反应器的开发。该技术旨在将传统生物反应器缩小为桌面大小的装置，将生产率提高约 70 倍。
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