生物打印是一項強大的技術，在改變醫療器械制造、器官置換、疾病和生理畸形的治療等方面有潛力。然而，目前的生物打印機無法精確可靠地打印單細胞。近期，來自舊金山加利福尼亞大學AdamR.Abate教授團隊在AdvancedMaterials期刊上發表題為“High-DefinitionSingle-CellPrinting:Cell-by-CellFabricationofBiologicalStructures”文章，解決了無法精確的打印單細胞的問題。文章講述了細胞分選裝置的改進，縮短打印噴嘴與打印基板之間的距離，并實際打印細胞平面或立體結構了來說明技術的可靠性和擴展性，還研究了打印對細胞的活性的影響。這種方法的速度、準確性和靈活性將推動生物打印技術的發展，使之能夠在類器官科學、組織工程和空間靶向細胞治療方面進行新的研究。那么ATA-2031高壓放大器在微流控高分辨率單細胞打印研究中又起到什么作用呢？Aigtek安泰電子今天就帶你揭曉。

　　本文中，作者提出一種高分辨(bian)率的(de)(de)單(dan)細(xi)胞(bao)打(da)印(yin)技(ji)術(shu)（HD-SCP）。這項(xiang)技(ji)術(shu)通過(guo)高度(du)(du)小型化的(de)(de)細(xi)胞(bao)分選(xuan)機，從而達到10μm的(de)(de)精(jing)度(du)(du)和100Hz的(de)(de)速度(du)(du)。傳統的(de)(de)流式(shi)細(xi)胞(bao)熒光分選(xuan)技(ji)術(shu)(FACS)，使打(da)印(yin)噴嘴和基板之間的(de)(de)距離較大，細(xi)胞(bao)的(de)(de)打(da)印(yin)精(jing)度(du)(du)較低。如圖1所示為HD-SCP的(de)(de)原理。

　　HD-SCP的(de)(de)(de)創新使(shi)(shi)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)分(fen)選(xuan)(xuan)機(ji)(ji)小(xiao)型化，這(zhe)樣(yang)使(shi)(shi)得打(da)印噴嘴和(he)打(da)印基(ji)(ji)板離得很近，從(cong)(cong)(cong)而提高(gao)打(da)印精度。HD-SCP依賴于一(yi)種微流控(kong)(kong)打(da)印頭，用于將含有液(ye)滴(di)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)噴射到空氣中(zhong)，隨后由(you)熒光激活的(de)(de)(de)分(fen)選(xuan)(xuan)系統進行(xing)(xing)選(xuan)(xuan)擇。通(tong)過(guo)分(fen)選(xuan)(xuan)機(ji)(ji)選(xuan)(xuan)擇具(ju)有單(dan)(dan)個細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)液(ye)滴(di)，從(cong)(cong)(cong)而打(da)印細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)陣(zhen)列、細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)圖案和(he)均勻良好的(de)(de)(de)球體(ti)。3d打(da)印的(de)(de)(de)元件，包括機(ji)(ji)械臺，計(ji)算機(ji)(ji)控(kong)(kong)制(zhi)系統，從(cong)(cong)(cong)而可(ke)以打(da)印出高(gao)分(fen)辨率(lv)的(de)(de)(de)結構。在(zai)打(da)印過(guo)程中(zhong)，基(ji)(ji)板在(zai)x–y平面的(de)(de)(de)運動(dong)，這(zhe)是由(you)機(ji)(ji)械臺控(kong)(kong)制(zhi)。為(wei)了進行(xing)(xing)選(xuan)(xuan)擇性(xing)地打(da)印細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)，細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)用熒光染料(liao)標(biao)記，使(shi)(shi)其被流式細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)儀識別(bie)。通(tong)過(guo)剪切聚(ju)焦氣流中(zhong)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)懸浮液(ye)來(lai)(lai)實現(xian)(xian)(xian)氣溶膠化，從(cong)(cong)(cong)而產生含有單(dan)(dan)個細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)液(ye)滴(di)，這(zhe)種設計(ji)使(shi)(shi)得在(zai)打(da)印液(ye)滴(di)時，具(ju)有可(ke)控(kong)(kong)的(de)(de)(de)直徑。在(zai)傳統的(de)(de)(de)流式細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)技術中(zhong)，細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)分(fen)選(xuan)(xuan)是通(tong)過(guo)液(ye)滴(di)充電(dian)和(he)電(dian)場(chang)偏轉來(lai)(lai)實現(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)，但是這(zhe)些儀器難以小(xiao)型化實現(xian)(xian)(xian)精確控(kong)(kong)制(zhi)，因(yin)此(ci)，作者開發了一(yi)種基(ji)(ji)于介電(dian)泳的(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)分(fen)選(xuan)(xuan)機(ji)(ji)制(zhi)。

　　可通過(guo)(guo)改變外加(jia)電(dian)(dian)壓來(lai)調節(jie)帶電(dian)(dian)液(ye)(ye)滴(di)的偏(pian)轉。同時，電(dian)(dian)極(ji)(ji)通過(guo)(guo)通斷電(dian)(dian)使得液(ye)(ye)滴(di)偏(pian)轉（電(dian)(dian)極(ji)(ji)打開(kai)，圖(tu)2b）或直線滴(di)落(luo)（電(dian)(dian)極(ji)(ji)關閉，圖(tu)2c）。為了收集不(bu)需(xu)要的液(ye)(ye)滴(di)，作者(zhe)在電(dian)(dian)極(ji)(ji)下游設(she)置了一個真空(kong)通道（圖(tu)2a，左圖(tu)）。真空(kong)通道不(bu)會改變目標液(ye)(ye)滴(di)的運動(dong)，但會收集廢棄液(ye)(ye)滴(di)（圖(tu)2b，右圖(tu)）。當(dang)打印(yin)液(ye)(ye)滴(di)時，觀(guan)察到約(yue)10%液(ye)(ye)滴(di)含(han)有細(xi)胞(bao)(bao)，與(yu)輸入(ru)濃(nong)度一致(zhi)（圖(tu)2d）。當(dang)作者(zhe)只打印(yin)含(han)有液(ye)(ye)滴(di)的細(xi)胞(bao)(bao)時，大(da)于99.5%的液(ye)(ye)滴(di)中含(han)有細(xi)胞(bao)(bao)（圖(tu)2e）。

　　之后(hou)，作者對打(da)(da)印速度(du)和(he)打(da)(da)印過程(cheng)中細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)活性進(jin)行(xing)了(le)測試如(ru)圖(tu)(tu)3所示(shi)。液滴的(de)(de)打(da)(da)印速度(du)，在(zai)(zai)500Hz至1000Hz的(de)(de)液滴形成頻率范(fan)圍內時，打(da)(da)印的(de)(de)精度(du)仍保持99%以(yi)上（圖(tu)(tu)3a左(zuo)側(ce)，每(mei)個條件(jian)下n=1200）。從混合細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)中對鈣黃(huang)綠染色(se)(se)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)或鈣黃(huang)紅染色(se)(se)的(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)進(jin)行(xing)分(fen)類(lei)，其準(zhun)確率大于98%（右(you)，每(mei)種情況下n=1300）。上面的(de)(de)插圖(tu)(tu)是相應的(de)(de)熒光圖(tu)(tu)像(圖(tu)(tu)3a)。分(fen)選(xuan)后(hou)平均細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)存(cun)活率約94%，與對照細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)（n=5）無顯著差(cha)異（圖(tu)(tu)3b）。增(zeng)殖試驗表(biao)明，分(fen)選(xuan)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)和(he)對照細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)在(zai)(zai)4天內的(de)(de)生長(chang)速度(du)相似（n=5）（圖(tu)(tu)3c）。這些實驗表(biao)明分(fen)選(xuan)后(hou)的(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)沒有降(jiang)低活性。

　　作(zuo)者研究了打(da)印(yin)(yin)陣列的細胞懸液的滴數、打(da)印(yin)(yin)噴嘴與打(da)印(yin)(yin)基板之間對理論位置偏差的影響，如(ru)圖(tu)4所示。

　　作(zuo)(zuo)者對設(she)備(bei)進行編程，打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)由單個(ge)(ge)液滴(di)、五個(ge)(ge)液滴(di)組成的(de)(de)(de)陣列（圖(tu)(tu)4a）。同時也打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)距(ju)離(li)和打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)精(jing)(jing)度(du)(du)的(de)(de)(de)關系，在打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)距(ju)離(li)為(wei)(wei)(wei)3到5mm時，平均精(jing)(jing)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)約8μm（圖(tu)(tu)4b）。為(wei)(wei)(wei)了說明此方法可以精(jing)(jing)確(que)地(di)打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)出大而復(fu)雜的(de)(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)陣列，作(zuo)(zuo)者使用(yong)(yong)交替的(de)(de)(de)綠色(se)(se)和紅色(se)(se)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)陣列，并獲得(de)約93.25%的(de)(de)(de)打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)精(jing)(jing)度(du)(du)（圖(tu)(tu)4c）。在每個(ge)(ge)點上(shang)打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)一個(ge)(ge)綠色(se)(se)和一個(ge)(ge)紅細(xi)(xi)胞(bao)(bao)，精(jing)(jing)確(que)度(du)(du)約為(wei)(wei)(wei)86.5%（圖(tu)(tu)4c，左中）。改(gai)變打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)條件，可以打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)更(geng)復(fu)雜的(de)(de)(de)陣列（圖(tu)(tu)4c，右）。之后(hou)作(zuo)(zuo)者打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)出輪廓相(xiang)同但細(xi)(xi)胞(bao)(bao)密度(du)(du)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)“UCSF”（圖(tu)(tu)4d）。為(wei)(wei)(wei)了打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)具有不(bu)(bu)同顏色(se)(se)的(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像，作(zuo)(zuo)者使用(yong)(yong)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)染(ran)料染(ran)色(se)(se)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)，并打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)100個(ge)(ge)不(bu)(bu)同顏色(se)(se)的(de)(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)方塊（圖(tu)(tu)4e）。其(qi)次作(zuo)(zuo)者通過對二維圖(tu)(tu)案的(de)(de)(de)逐層打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)，生成了三維結構（圖(tu)(tu)4f）。最后(hou)作(zuo)(zuo)者用(yong)(yong)綠色(se)(se)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)打(da)(da)印(yin)(yin)(yin)了一個(ge)(ge)約2毫(hao)米高的(de)(de)(de)埃菲(fei)爾鐵塔(ta)（圖(tu)(tu)4g）；

　　這種技(ji)術采用逐細(xi)胞打(da)印，具(ju)有控(kong)制(zhi)細(xi)胞數量(liang)(liang)和(he)細(xi)胞成分的(de)能力，也(ye)可以實現(xian)均勻(yun)球(qiu)體的(de)打(da)印。為了驗(yan)證，作者(zhe)控(kong)制(zhi)起始(shi)細(xi)胞的(de)數量(liang)(liang)對球(qiu)進行打(da)印（圖5a）。作者(zhe)發現(xian)具(ju)有相同數量(liang)(liang)起始(shi)細(xi)胞的(de)球(qiu)體均勻(yun)性比較相近（圖5b），最終尺寸與初始(shi)細(xi)胞數是密切相關（圖5c，d）。

　　ATA-2031高壓放大器

　　帶寬(kuan)：（-3dB）DC~500kHz

　　電(dian)壓：300Vp-p（±150Vp）

　　電流(liu)：120mAp

　　功率：18Wp

　　壓擺率(lv)：≥334V/μs

　　可程控

　　最后，作者總(zong)結了這種(zhong)打印技術(shu)可(ke)(ke)以(yi)應用在(zai)一些(xie)生物材料(liao)制(zhi)造并為一些(xie)研究(jiu)提供新(xin)(xin)的(de)(de)(de)解決(jue)方案。比如(ru)運(yun)用這種(zhong)技術(shu)可(ke)(ke)以(yi)打印出均勻的(de)(de)(de)球體結構(gou)，而這種(zhong)球體結構(gou)在(zai)藥物篩選方向有著重要的(de)(de)(de)價值(zhi)。同樣的(de)(de)(de)而使(shi)用這種(zhong)技術(shu)可(ke)(ke)以(yi)以(yi)新(xin)(xin)的(de)(de)(de)特(te)性來構(gou)建細胞結構(gou)，從而使(shi)新(xin)(xin)的(de)(de)(de)研究(jiu)和應用成為可(ke)(ke)能。

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