BIOX 3D生物打印機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用之助力腫瘤微環(huán)境的研究

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢，推動(dòng)著腫瘤學(xué)研究的前沿發(fā)展。近期，一項(xiàng)關(guān)于3D生物打印技術(shù)在構(gòu)建可灌注血管化腫瘤微環(huán)境模型的研究成果引起了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)研究不僅展示了3D生物打印技術(shù)的強(qiáng)大潛力，還特別提到了BIOX生物3D打印機(jī)在其中的關(guān)鍵作用。

一 研究背景：腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)
腫瘤微環(huán)境（TME）是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅包括腫瘤細(xì)胞本身，還涉及血管、免疫細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)等多種成分。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)和簡單的三維模型往往難以完全模擬體內(nèi)腫瘤的真實(shí)情況。為了更好地研究腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移機(jī)制，以及開發(fā)更有效的治療方法，科學(xué)家們一直在尋找更接近人體生理環(huán)境的模型。3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，為這一目標(biāo)帶來了新的希望。

二 BIOX生物3D打印機(jī)：助力創(chuàng)新研究
BIOX生物3D打印機(jī)以其高精度、多材料打印能力和出色的溫度控制，成為了構(gòu)建復(fù)雜生物模型的理想工具。在本次研究中，研究人員利用BIOX生物3D打印機(jī)，結(jié)合多材料打印技術(shù)和犧牲材料法，成功構(gòu)建了一個(gè)可灌注的血管化腫瘤微環(huán)境模型。這一模型不僅能夠模擬腫瘤細(xì)胞的生長和血管生成，還能重現(xiàn)腫瘤細(xì)胞向血管遷移的早期轉(zhuǎn)移過程。
 

圖 1 Bio X生物3D打印機(jī)

1 多材料打印技術(shù)的突破
研究中使用了Gelatin Methacrylate（GelMA）作為細(xì)胞負(fù)載的基質(zhì)材料，它具有良好的生物相容性和可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能。同時(shí)，研究人員選擇了Pluronic F-127作為犧牲材料，用于構(gòu)建血管通道。通過BIOX生物3D打印機(jī)的精確控制，這兩種材料被交替打印，形成了復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這種多材料打印技術(shù)不僅提高了打印效率，還確保了模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能性。

2 可灌注血管通道的構(gòu)建

圖 2 血管化構(gòu)建物的制備和生物墨水特性

(A) 制備血管化三維構(gòu)建物的概述流程。i）在生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)生物打�。籭i）紫外線照射交聯(lián)GelMA并冷藏以溶解可犧牲材料（PLU）；iii）通過注入冷流體沖洗PLU；iv）連接到灌注回路。(B) 8% GelMA內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的代表性掃描電子顯微鏡圖像。(C) 孔徑分布。(D) 在FRAP測試過程中漂白樣品的共聚焦圖像。(E) 8% GelMA的擴(kuò)散系數(shù)與葡聚糖分子量的關(guān)系。(F) 從左到右：血管通道幾何形狀的CAD模型，生物打印結(jié)構(gòu)（PLU為藍(lán)色），以及染料灌注后的情況。

三 研究成果：腫瘤微環(huán)境的精準(zhǔn)模擬
經(jīng)過14天的灌注培養(yǎng)，研究人員成功證明了血管通道內(nèi)皮層的形成。腫瘤細(xì)胞在模型中表現(xiàn)出良好的生長特性，并能夠招募內(nèi)皮細(xì)胞形成新生血管。此外，研究人員還觀察到腫瘤細(xì)胞向血管區(qū)域遷移的現(xiàn)象，這與體內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移的早期階段高度相似。

1 細(xì)胞活性與血管生成
在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員通過LIVE/DEAD實(shí)驗(yàn)評(píng)估了細(xì)胞的活性。結(jié)果顯示，SK-N-AS神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞、人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）在GelMA基質(zhì)中表現(xiàn)出良好的活性。特別是在使用100% HUVEC培養(yǎng)基時(shí)，hMSCs表現(xiàn)出更強(qiáng)的內(nèi)皮分化能力，形成了更加復(fù)雜的微血管網(wǎng)絡(luò)。
 

圖 3  細(xì)胞活性和形態(tài)。

(A) 三種細(xì)胞培養(yǎng)（SK-N-AS、hMSC和HUVEC-hMSC 70%–30%）在8% GelMA中的細(xì)胞活性檢測：活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)呈綠色（Calcein-AM），死細(xì)胞的細(xì)胞核呈紅色（碘化丙啶），所有細(xì)胞核呈藍(lán)色（HOECHST）。(B) 培養(yǎng)第2天和第10天的細(xì)胞活性定量分析（*p < 0.05，**p < 0.01，中位數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，n ≥ 3）。(C, D) 研究培養(yǎng)基組成對(duì)8% GelMA中HUVEC-hMSC共培養(yǎng)細(xì)胞形態(tài)和功能的影響：HUVEC培養(yǎng)基通過增加E-鈣黏蛋白的表達(dá)和降低波形蛋白的表達(dá)，在培養(yǎng)的第2天到第14天促進(jìn)hMSCs的內(nèi)皮分化（***p < 0.001，均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n = 3）。比例尺 = 20 µm。(E) 第14天時(shí)8% GelMA中HUVEC-hMSC共培養(yǎng)的細(xì)胞形態(tài)研究：自發(fā)形成微血管，CD31呈綠色，肌動(dòng)蛋白絲（鬼筆環(huán)肽）呈紅色，細(xì)胞核（DAPI）呈藍(lán)色。比例尺 = 50 µm。(F) 使用ImageJ插件“Angiogenesis Analyzer”對(duì)芽管長度進(jìn)行定量分析（*p < 0.05，**p < 0.01）。

2 血管通道的內(nèi)皮化
研究人員通過共培養(yǎng)HUVECs和hMSCs，成功實(shí)現(xiàn)了血管通道的內(nèi)皮化。在14天的灌注培養(yǎng)后，內(nèi)皮細(xì)胞完全覆蓋了血管通道的表面，并形成了完整的內(nèi)皮層。這一結(jié)果不僅證明了BIOX生物3D打印機(jī)在構(gòu)建復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)方面的強(qiáng)大能力，還為研究腫瘤細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞之間的相互作用提供了重要的模型基礎(chǔ)。
 

圖 4  血管通道的內(nèi)皮化

(A) 血管通道的播種后整體視圖（HUVEC-hMSC共培養(yǎng)，70%–30%，10·10⁶細(xì)胞/mL）。(B) 隨時(shí)間形成的內(nèi)皮屏障：第1天（i, iv），細(xì)胞仍呈圓形，隨后開始伸展（ii, v），并在第7天（iii, vi）形成密集的網(wǎng)絡(luò)。比例尺 = 200 µm。(C) 在有無內(nèi)皮的情況下測量血管的通透性，以驗(yàn)證內(nèi)皮化通道的功能。內(nèi)皮的存在顯著降低了通透性（***p < 0.001, n = 3），表明其在維持血管屏障完整性中起著關(guān)鍵作用。(D) 灌注第14天時(shí)完整的內(nèi)皮層形成，以及(E) 管腔的形成。比例尺 = 200 µm。

四 未來展望：從實(shí)驗(yàn)室到臨床應(yīng)用
這項(xiàng)研究的成功不僅為腫瘤微環(huán)境的研究提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，也為未來個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。通過3D生物打印技術(shù)，科學(xué)家們可以構(gòu)建出與患者腫瘤高度相似的模型，從而更好地預(yù)測藥物反應(yīng)，優(yōu)化治療方案。BIOX生物3D打印機(jī)作為這一領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)備，將繼續(xù)助力科學(xué)家們探索生物醫(yī)學(xué)的未知領(lǐng)域。

五 結(jié)語
BIOX生物3D打印機(jī)在構(gòu)建可灌注血管化腫瘤微環(huán)境模型中的應(yīng)用，展示了3D生物打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究中的巨大潛力。我們相信，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D生物打印將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類健康事業(yè)帶來更多的突破和希望。

如果您對(duì)BIOX生物3D打印機(jī)感興趣，或者希望了解更多關(guān)于3D生物打印技術(shù)的信息，歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們。讓我們一起探索生物醫(yī)學(xué)的未來！

參考文獻(xiàn)
Maggiotto F, Bova L, Micheli S, et al. 3D bioprinting for the production of a perfusable vascularized model of a cancer niche. Front. Bioeng. Biotechnol.  2025;13:1484738. doi:10.3389/fbioe.2025.1484738