3D生物打印技术在植物科学研究中的发展及应用

来源：植物科学最前沿

原标题：Trends in Plant Science： 3D生物打印技术在植物科学研究中的发展及应用

生物打印是一种利用计算机设计、系统生物学和材料科学等多学科方法开发具有自然功能的多维生物产品的技术。现代生物打印技术倾向于使用植物材料作为生物墨水，获取具有足够的生物降解性、生物相容性、成本效益、可持续性和无毒性的定制产品的配方。生物打印技术有助于在三维环境中探索在单细胞、组织和植物水平上的几种细胞活动，这比目前的组织培养方法更能模拟植物条件。例如，生物打印的拟南芥细胞载体为细胞逐渐实现复杂的各种细胞生长和复杂的几何形状提供了一个自然的三维微环境。虽然这项研究还处于起步阶段，但在植物科学中，生物打印已经对对植物细胞行为的有了新的发现。然而，主要的挑战是重建精确和安全的复杂的微结构，模拟自然的生物功能。

近日，Trends in Plant Science杂志在线发表了Dr A.P.J. Abdul Kalam Technical University题为“3D Bioprinting in Plant Science: An Interdisciplinary Approach”的研究论文，该论文介绍了在植物生物学研究中使用3D生物打印技术的进展，探讨了生物打印和生物打印3D结构在植物科学各个领域的潜在作用。

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植物细胞结构

植物细胞结构如线粒体和细胞壁(CW)等细胞成分是动态存在的，可以在植物发育的不同阶段发生变化。了解这些动态对于确定细胞对不同生长条件的形态生理反应具有重要意义。先进的显微成像技术已经成为研究活细胞亚细胞和分子动力学的高时空分辨率的主要工具。然而，一些亚细胞对细胞不同生理需求的反应仍然需要进一步研究，如:(一)细胞器破碎、融合和重排的准确性; (二) 细胞壁的不同化学成分的相互作用和组装。

生物打印技术与先进的成像技术相结合，可以回答一些关于结构多样化的亚细胞成组装的问题。这些细胞组件的高分辨率延时图像可以用于开发Stl/CAD文件来打印3D结构。微观细胞组分的三维重建可以在纳米尺度上准确地反映其组织运动。反之，这可以帮助更好地理解形状形成和细胞结合过程中细胞成分的几何属性和空间关系。提供对细胞活力，分化，以及代谢产物的释放细胞外生化的梯度。

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植物根系渗透土壤

植物根系对土壤的渗透能力很强，对水分和养分的吸收能力也很强。因此，对植物根的全面理解可能有助于农业和环境问题，如提高植物产量和土壤资源的生态和可持续性。目前研究植物根系伸长、土壤渗透和地下根系簇发育的方法考虑了植物的生理因素和外界刺激。然而，在根顶点运动中起关键作用的根系结构和几何结构并没有成为研究根系渗透性能的重点。利用3D生物打印技术可能有助于研究根对土壤的渗透和发育，细胞与土壤基质的相互作用，以及根对土壤的依赖性此外。同时，受植物启发的3D生物打印技术在仿生功能方面具有潜力。植物表面是营养互作的重要界面，起着重要的自生作用。要了解植物表面的生态意义，需要精确的了解不同植物表面的物理化学性质；模拟植物的层次结构，可以揭示其与复杂自然环境相互作用的内在机制。此外，生物打印的其他适应性结构的植物可能会促进未来的跨学科研究之间的植物生物学的发展。

图 三维生物打印技术在植物科学研究中的发展和应用。

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3D生物打印在植物生物学中的应用前景

植物细胞支架的分类学可能在组织工程的生物打印中使用植物细胞部件开辟新的途径(图).然而，复杂组织中液体/气体需要彻底重新建立。植物细胞支架的生物相容性可能会用于克服在医疗应用中的昂贵的复合合成材料的局限性。使用植物衍生的新型纳米生物材料有望在不久的将来提高这项技术的应用价值的未来。

目前的生物打印结构和生物打印技术缺乏精确性和整体的监管。这些生物打印的异质3D结构的可接受性需要基于社会和经济政策的科学评估，以确保可持续发展，为人类福利而使用生物打印技术是合乎道德和安全的。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138519302833