太空三維（3D）生物打印技術有助于構建精確的仿生腫瘤模型，可用于評估空間環境對腫瘤的復合效應，從而深入了解疾病的原理和潛在的治療方法。目前太空3D生物打印面臨一些困難，如發射前的不確定性、液體可能泄漏、太空中如何長期培養、設備自動控制、數據采集和傳輸等。
近日，來自清華大學的熊卓、張婷和方永聰教授團隊進行了基于衛星在軌打印3D腫瘤模型的相關研究。該研究開發了一種結構強度高、體積小（220?mm?×?250?mm?×?150?mm）、重量輕（< 6 kg）的新型太空3D生物打印設備（圖1）。基于微凝膠的雙相熱敏（MBT）生物墨水和懸浮介質，具有優異的存儲性能和抗泄漏性，可適應潛在的發射延遲和振動，從而支持復雜腫瘤模型的在軌打印和原位培養。此外，該研究還開發了一種智能控制算法，能夠自動控制3D打印、自動對焦、熒光成像和數據地面傳輸。該研究為首次通過衛星在太空中實現腫瘤模型在軌打印，其形態穩定，存活率適中。結果發現，3D腫瘤模型在太空中比在地球上對抗腫瘤藥物更敏感。該研究為太空3D生物打印開辟一條新途徑，為未來太空生命科學和醫學研究提供新的可能性。研究成果以“Satellite-Based On-Orbit Printing of 3D Tumor Models”為題發表在Advanced Materials期刊上。
考慮到在衛星中無人操作和傳統擠壓式3D生物打印的固有局限性，原位培養過程通常很難進行灌注。主要因為在液體灌注過程中，氣液界面容易產生大量氣泡。因此，科研人員開發了一種嵌入式3D生物打印策略，利用一種懸浮培養基既能3D打印MBT生物墨水，又能原位培養打印出的腫瘤模型（圖3A）。MBT懸浮培養基由分散相GelMA凝膠和連續相明膠及透明質酸（HA）復合材料組成。結果表明，MBT懸浮培養基可用于高保真打印復雜結構（圖3B）。熒光成像顯示，MBT懸浮介質主要由類似于MBT生物墨水的微凝膠組成。流變測試表明，MBT懸浮介質具有剪切稀化和自愈合特性（圖3C），有利于嵌入式打印。對嵌入打印的螺旋結構進行定量測量表明，絲的寬度和間距受打印溫度影響不大（圖3D、E），表明MBT懸浮介質具有較寬的打印溫度范圍。雖然微顆粒大大降低MBT懸浮介質的不透明度，但嵌入打印結構的輪廓仍清晰可見。研究人員還打印了人體解剖結構（如人的支氣管和心臟，圖3F）和帶有懸臂的結構（如垂直的TH管，圖3G），用于展示打印能力。使用傳統的擠壓打印方法很難打印出具有懸臂和薄壁等復雜結構的構造物。由于明膠的存在，MBT懸浮介質在加熱階段的凝膠-溶膠轉變點為35°C，在冷卻階段的溶膠-凝膠轉變點為20°C。將MBT懸浮培養基注入生物模塊后，在4℃下迅速凝固。凝膠化后，MBT懸浮介質即使倒置也不會在容器內流動。采取這種預防措施是為了防止MBT懸浮介質在半開放艙內泄漏，在火箭發射過程中的劇烈振動可能會導致這種泄漏發生。在37℃的MBT懸浮培養基中培養的打印構建體在72 h內保持較高的細胞活力。以上結果表明，MBT懸浮培養基可支持復雜構建物在30 ~ 37°C下嵌入打印和原位培養，同時在4 ~ 25°C下經受長途運輸而不會發生泄漏。
綜上所述，該研究開發了一種新型適用于太空的生物打印設備，可以在太空中打印和培養3D腫瘤模型。研究結果表明，所開發的MBT生物墨水和MBT懸浮培養基能夠在很寬的溫度范圍內打印3D腫瘤模型，并能在軌道上實現形態穩定、細胞活力適中的培養。本文在衛星上對多功能實驗裝置和太空生物打印技術成功進行了在軌驗證，標志著太空3D生物打印技術的發展邁出重要一步，為加速太空生物學和醫學研究與發展提供新的機遇。
