隨著對(duì)疾病發(fā)病機(jī)制研究的不斷深入，基礎(chǔ)研究和藥物研究等場(chǎng)景都需要更精準(zhǔn)的細(xì)胞模型來研究細(xì)胞間的相互作用和信號(hào)傳導(dǎo)。

而傳統(tǒng)的2D 細(xì)胞培養(yǎng)不能很好地模擬體內(nèi)細(xì)胞的真實(shí)生長環(huán)境。細(xì)胞在平面培養(yǎng)皿上生長時(shí)，其形態(tài)、生理功能和基因表達(dá)等都會(huì)發(fā)生改變。在基礎(chǔ)研究中，這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)、生理功能和基因表達(dá)改變，影響對(duì)細(xì)胞間相互作用、生理過程和分化機(jī)制等的研究；在藥物研發(fā)方面，則降低了藥物篩選的準(zhǔn)確性和效率，增加假陽性和假陰性結(jié)果，從而提高研發(fā)成本。

這推動(dòng)了細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)向3D方向迭代。3D細(xì)胞培養(yǎng)能夠使細(xì)胞在三維立體的支架材料或基質(zhì)中生長，形成類似體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的細(xì)胞聚集體，有效彌補(bǔ)了2D細(xì)胞培養(yǎng)的局限性。在組織和器官再生的發(fā)展?jié)摿Ρ虐l(fā)、生物材料和 3D 支架技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，3D細(xì)胞培養(yǎng)迎來了廣闊的發(fā)展前景。

Copner Biotech便是這一領(lǐng)域的新起之秀。公司成立于2020年，總部位于英國威爾士的艾布韋爾，專注于3D細(xì)胞培養(yǎng)及相關(guān)技術(shù)，已建立了豐富的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)組合，服務(wù)于3D細(xì)胞培養(yǎng)和生物打印市場(chǎng)。

01

開發(fā)惰性、無動(dòng)物來源的3D支架，更真實(shí)地模擬體內(nèi)生理環(huán)境

Copner Biotech創(chuàng)始人、CEO Jordan Copner于2018年在卡迪夫大學(xué)（Cardiff University）完成了生物化學(xué)專業(yè)的學(xué)業(yè)，并開始了他的職業(yè)生涯。他的職業(yè)生涯始于一些小型生物技術(shù)公司，后在GE醫(yī)療和Cytiva擔(dān)任更高級(jí)的職位。在Jordan的學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯中，他對(duì)3D細(xì)胞培養(yǎng)及相關(guān)技術(shù)（如生物打?。┮恢北３种鴿夂竦呐d趣。提及創(chuàng)立Copner Biotech的初衷，他表示，是想要改變目前3D細(xì)胞培養(yǎng)市場(chǎng)面臨的痛點(diǎn)，為行業(yè)提供創(chuàng)新解決方案。

Copner Biotech創(chuàng)始人、CEO Jordan Copner

多年來，3D細(xì)胞培養(yǎng)主要以動(dòng)物來源的水凝膠為支撐材料，給細(xì)胞培養(yǎng)帶來了一些難以避免的不利影響，包括：

● 免疫原性問題。動(dòng)物來源的水凝膠可能含有動(dòng)物源性的抗原成分。當(dāng)用于 3D 細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，這些抗原可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡或者功能異常。

●存在疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)物來源的材料可能攜帶動(dòng)物病毒、朊病毒等病原體。這些病原體可能在 3D 細(xì)胞培養(yǎng)過程中感染細(xì)胞。

● 難以精準(zhǔn)控制物理化學(xué)性質(zhì)。動(dòng)物來源的水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)（如孔徑大小、孔隙率、彈性模量等）受其天然來源的限制，難以精準(zhǔn)調(diào)整物理化學(xué)性質(zhì)，可能無法為細(xì)胞提供最適宜的生長環(huán)境，從而限制細(xì)胞的三維生長，導(dǎo)致細(xì)胞無法形成正確的組織結(jié)構(gòu)或細(xì)胞功能的表達(dá)受到影響。

● 成分復(fù)雜和批次差異。動(dòng)物來源的水凝膠成分復(fù)雜，且受動(dòng)物的生理狀態(tài)、年齡、飼養(yǎng)環(huán)境等諸多因素影響，不同動(dòng)物個(gè)體之間、不同批次的提取物在成分和含量上會(huì)有差異。在 3D 細(xì)胞培養(yǎng)中，這種差異可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性降低。

面對(duì)以上問題，3D細(xì)胞培養(yǎng)市場(chǎng)需要一種創(chuàng)新解決方案來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。在此背景下，Copner Biotech 應(yīng)運(yùn)而生。Copner Biotech開發(fā)了惰性、無動(dòng)物來源的3D支架，能夠促進(jìn)界面上的細(xì)胞匯合生長，從而形成一個(gè)平衡的細(xì)胞系統(tǒng)，更真實(shí)地模擬體內(nèi)生理環(huán)境。

02

創(chuàng)新支架結(jié)構(gòu)與表面粗糙度設(shè)計(jì)可顯著促進(jìn)細(xì)胞附著與增殖，無需使用生物聚合物涂層

Copner Biotech的旗艦產(chǎn)品是3D PETG支架，該支架能夠增強(qiáng)細(xì)胞捕獲和附著，并促進(jìn)均衡的匯合細(xì)胞系統(tǒng)的生長。據(jù)公司披露，在Copner Biotech的3D PETG支架上生長的哺乳動(dòng)物細(xì)胞已顯示出比二維培養(yǎng)更具生理相關(guān)性的形態(tài)以及健康的生物標(biāo)志物。

相關(guān)研究表明，離散氧梯度在細(xì)胞跨越支架界面的運(yùn)動(dòng)中起著重要作用。在支架結(jié)構(gòu)上生長的細(xì)胞通常呈現(xiàn)出異質(zhì)分布，常見的是聚集現(xiàn)象。

Copner Biotech通過在3D PETG支架界面上引入離散氧梯度，促進(jìn)了細(xì)胞從中心向外圍的增殖，使得支架上的細(xì)胞系統(tǒng)更加均衡，其融合模式類似于體內(nèi)組織。這主要得益于3D PETG支架系統(tǒng)獨(dú)特的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面粗糙度設(shè)計(jì)。

3D PETG支架提供氧氣和營養(yǎng)梯度，以最大化細(xì)胞生長

3D PETG支架本身具有一個(gè)相互連通的孔隙系統(tǒng)，孔隙的大小從中心向外圍逐漸增大。該設(shè)計(jì)在支架界面上形成了非常明顯的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)梯度，促進(jìn)細(xì)胞向外圍的移動(dòng)和增殖。此外，這些孔隙還促進(jìn)了內(nèi)部的自然毛細(xì)效應(yīng)，使其非常適合形成3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如類球體和類器官。

3D PETG支架部署在24孔板中

并且，公司定制的3D打印操作系統(tǒng)，結(jié)合高精度打印技術(shù)，能夠創(chuàng)建具有最佳表面粗糙度的特定支架區(qū)域。這些區(qū)域在播種的第1天就能產(chǎn)生成功附著的細(xì)胞，并作為細(xì)胞增殖和向外圍遷移的起點(diǎn)。“通過這種方法，我們不需要使用生物聚合物涂層，并且可以使用比市場(chǎng)上其他支架更少的細(xì)胞種子數(shù)量。”Jordan向動(dòng)脈網(wǎng)介紹道。

除此之外，Copner Biotech的3D PETG支架還具有以下優(yōu)勢(shì)：

第一，在細(xì)胞附著方面，Copner Biotech的3D PETG支架在低細(xì)胞種子濃度下，能夠高效促進(jìn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的附著。迄今為止使用的細(xì)胞包括但不限于：L929成纖維細(xì)胞、角質(zhì)形成細(xì)胞、HeLa細(xì)胞、MCF-7細(xì)胞、A549細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）。

第二，在細(xì)胞活力方面，公司的PETG材料經(jīng)過改進(jìn)，以優(yōu)化表面粗糙度，進(jìn)而提高細(xì)胞的附著和增殖能力。這種惰性、無細(xì)胞毒性的材料已被確認(rèn)在細(xì)胞培養(yǎng)中可安全使用，對(duì)細(xì)胞生長或功能沒有負(fù)面影響，使從2D到3D細(xì)胞培養(yǎng)的過渡更加容易。此外，3D PETG支架還表現(xiàn)出剛性，不會(huì)降解，使其非常適合長期細(xì)胞培養(yǎng)；

第三，在細(xì)胞增殖方面，Copner Biotech的PETG材料能夠介導(dǎo)細(xì)胞分裂事件，同時(shí)最大限度地減少細(xì)胞損失，從而在短時(shí)間內(nèi)顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖。這對(duì)研究細(xì)胞指數(shù)生長期或?qū)崟r(shí)觀察細(xì)胞分裂事件的研究人員尤其重要。

第四，在類球體形成方面，在使用高細(xì)胞種子濃度并進(jìn)行長時(shí)間培養(yǎng)（超過7天）的情況下，3D PETG支架能夠促進(jìn)類球體培養(yǎng)。類球體培養(yǎng)系統(tǒng)通過促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞之間以及細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用，提供了與體內(nèi)類似的理化環(huán)境，從而克服了傳統(tǒng)二維培養(yǎng)的局限性。

3D PETG支架系統(tǒng)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中具有相互連通的孔隙，設(shè)計(jì)用于培養(yǎng)和收獲類球體培養(yǎng)物，使用方便。通過利用支架中心的孔隙，用戶可以輕松抽取和收獲類球體培養(yǎng)物。這種創(chuàng)新的類球體培養(yǎng)和收獲方法允許用戶創(chuàng)建可靠的三維類球體模型，而無需使用多步驟操作，從而避免了類球體處理過程中的人為誤差。同時(shí)，在類球體形成的基礎(chǔ)上，當(dāng)與適當(dāng)?shù)纳L因子結(jié)合使用時(shí)，3D PETG支架可以用來生成早期胚體，繼而形成類器官。由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和強(qiáng)度高，這些支架可以用于類器官的長期培養(yǎng)。

03

開發(fā)基于矩形構(gòu)造的專利建模格式和3D打印方法，實(shí)現(xiàn)支架生產(chǎn)的高批次一致性

在開發(fā)3D PETG細(xì)胞培養(yǎng)支架的過程中，Jordan坦言，公司遇到的最大挑戰(zhàn)便是通過3D打印生產(chǎn)制造這些支架。公司通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的CAD/STL/G-code方法設(shè)計(jì)的支架會(huì)導(dǎo)致打印的支架出現(xiàn)不精確等問題。

這是由于，傳統(tǒng)上，為3D打印設(shè)計(jì)的模型是通過已有30年歷史的原型技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，即將CAD模型輸出為STL格式，再將其切片為G-code指令，通過3D打印機(jī)進(jìn)行打印。STL使用三角形構(gòu)造來定義要打印模型的表面；此外，這些STL文件在切片為G-code時(shí)會(huì)生成一些非預(yù)定的打印命令，這可能導(dǎo)致打印結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

并且，使用三角形網(wǎng)格來構(gòu)造3D打印模型的表面，雖然具有一定的靈活性和便捷性，但其缺陷也顯而易見。三角形網(wǎng)格只能近似模型的表面，特別是對(duì)于復(fù)雜曲面，細(xì)節(jié)表現(xiàn)不佳，邊緣和曲面可能會(huì)變得模糊；同時(shí)，三角形網(wǎng)格在切片時(shí)可能導(dǎo)致不連續(xù)的表面，在曲率變化較大的區(qū)域，打印出來的表面可能會(huì)出現(xiàn)不平整或波紋；另外，復(fù)雜的三角形網(wǎng)格會(huì)生成大量的G-code命令，增加了打印時(shí)間和處理復(fù)雜性。

為了生產(chǎn)高批次一致性的精確支架，Copner Biotech開發(fā)了一種基于矩形構(gòu)造的專利建模格式和3D打印方法，可以更精確地定義模型的各個(gè)部分，使得打印出來的模型細(xì)節(jié)更加準(zhǔn)確。并且，Copner Biotech還研發(fā)了高精度3D、4D擠出生物打印機(jī)。目前，公司的增材制造過程顯示出高批次一致性，最大限度地減少了3D細(xì)胞模型中的變量。

3D PETG支架的制造精度高，批次間的一致性強(qiáng)

Copner Biotech的下一代生物打印機(jī)使用圖形矩形在物理位置上編碼 GRAPE? 文件，能夠解決當(dāng)前市場(chǎng)使用的STL和G-code程序中的關(guān)鍵問題，包括數(shù)據(jù)近似困難、建模異常和生物打印構(gòu)造的低精度。

公司新型的專有GRAPE? 3D建模格式使用戶能夠建模和打印高度精確的3D構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)高批次一致性。通過Copner Biotech的下一代3D建模軟件，用戶可以直接設(shè)計(jì)和創(chuàng)建適用于3D細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程應(yīng)用的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)。

矩形構(gòu)造的模型會(huì)被Copner Biotech的生物打印機(jī)系列直接讀取，以柵格樣式逐層打印。這個(gè)方法不僅定義了模型的表面，還能更精確地描述整個(gè)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了模型的精度，尤其是在使用生物打印機(jī)逐層打印模型時(shí)，可以更好地控制每一層的細(xì)節(jié)。

此外，Copner Biotech的建模軟件還可以輸出STL數(shù)據(jù)格式的模型，并且這些STL模型能夠被STL G-code切片器更準(zhǔn)確地切片，從而在使用傳統(tǒng)的第三方3D打印機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的打印效果。

關(guān)于細(xì)胞培養(yǎng)行業(yè)的發(fā)展前景，Jordan表示，“我們認(rèn)為，未來，全球3D細(xì)胞培養(yǎng)市場(chǎng)必將逐步擺脫使用動(dòng)物來源的產(chǎn)品。而我們的無動(dòng)物來源、性能穩(wěn)定的 3D PETG細(xì)胞培養(yǎng)支架能為研究人員提供所需的工具，能夠在可重復(fù)的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行研究?！盝ordan對(duì)公司研發(fā)的創(chuàng)新細(xì)胞培養(yǎng)支架抱有堅(jiān)定信心。目前，Copner Biotech正在改進(jìn)其生物打印技術(shù)，同時(shí)開發(fā)輔助的人體生物墨水（BioInks），以實(shí)現(xiàn)組織再生。

迄今，Copner Biotech的 3D PETG細(xì)胞培養(yǎng)支架已在歐洲、美國和澳大利亞銷售。公司的3D和4D擠出生物打印機(jī)目前在英國銷售給大學(xué)，并計(jì)劃于2025年在歐洲推出。關(guān)于在中國市場(chǎng)的規(guī)劃，Jordan表示，Copner Biotech渴望在中國尋找分銷商伙伴，首先銷售其3D PETG 細(xì)胞培養(yǎng)支架，未來還將銷售生物打印機(jī)。

關(guān)于未來規(guī)劃，Jordan表示，Copner Biotech將把專利核心GRAPE技術(shù)應(yīng)用到公司所有產(chǎn)品上，確立公司在3D細(xì)胞培養(yǎng)支架和生物制造方面的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。同時(shí)，公司的4D擠出和4D噴墨生物打印機(jī)在生物制造的精度和可重復(fù)性方面獨(dú)樹一幟，有望成為行業(yè)的變革者?！癈opner Biotech將持續(xù)創(chuàng)新，致力于突破技術(shù)邊界，不滿足于現(xiàn)有的常規(guī)。”

目前，Copner Biotech計(jì)劃進(jìn)入中國市場(chǎng)，正在尋找中國經(jīng)銷商合作伙伴。如果您對(duì)Copner Biotech的產(chǎn)品及解決方案感興趣，請(qǐng)通過該郵箱與Copner Biotech聯(lián)系：jordan@copnerbiotech.com

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