利用三維立體光刻技術(shù)構(gòu)建具有非均質(zhì)微機(jī)械環(huán)境的三維生物支架

來源： EngineeringForLife

我們知道，細(xì)胞外基質(zhì)的微機(jī)械環(huán)境對(duì)組織的生長發(fā)育非常重要，人體內(nèi)不同部位的細(xì)胞生存的機(jī)械環(huán)境也不盡相同。比如，血管內(nèi)皮細(xì)胞需要經(jīng)受血管的舒張以及血液流動(dòng)對(duì)它產(chǎn)生剪切力的影響，肌腱細(xì)胞需要承受劇烈的拉伸變形，心肌細(xì)胞則需要提供長期的疲勞變形。組織器官內(nèi)部微機(jī)械環(huán)境的改變有可能會(huì)引發(fā)各種心血管疾病和組織器官的癌變。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)與原生組織相類似的細(xì)胞外基質(zhì)微機(jī)械環(huán)境，對(duì)組織工程中組織器官的替換、藥物篩選以及疾病建模非常有意義。但是構(gòu)建三維空間上異質(zhì)的微機(jī)械環(huán)境仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閺臋C(jī)械工程的角度來看，三維結(jié)構(gòu)幾何形狀的成型與機(jī)械剛度總是相互耦合，如何在保證結(jié)構(gòu)成型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域機(jī)械剛度的調(diào)控是一個(gè)工程學(xué)上的難題。

對(duì)此，美國科羅拉多大學(xué)機(jī)械工程系Xiaobo Yin教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為Orthogonal programming of heterogeneous micro-mechano-environmentsand geometries in three-dimensional bio-stereolithography的研究論文。該論文通過應(yīng)用三維立體光刻技術(shù)（DLP打印技術(shù)）對(duì)水凝膠材料進(jìn)行具有機(jī)械異質(zhì)性三維支架的打印研究，成功構(gòu)建了具有不同剛度的水凝膠支架，為體外機(jī)械異質(zhì)三維組織的制造開辟了新的途徑。

在DLP打印技術(shù)中，水凝膠材料在光源的照射下進(jìn)行交聯(lián)，從而形成具有一定形狀的凝膠結(jié)構(gòu)，其中曝光劑量（曝光強(qiáng)度和曝光時(shí)間）是非常重要的工藝參數(shù)，它直接影響了水凝膠的交聯(lián)密度和每層固化厚度，大劑量的曝光（過大的曝光強(qiáng)度或者過長的曝光時(shí)間）在提高水凝膠交聯(lián)密度的同時(shí)，也會(huì)大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交聯(lián)的過程中，氧氣（O2）的存在會(huì)形成氧抑制區(qū)域，影響最后的打印結(jié)果。但在該研究中，他們發(fā)現(xiàn)控制一定程度的氧抑制層的存在，可以使得每層的固化厚度對(duì)曝光劑量不敏感，但是卻可以很好地調(diào)節(jié)局部的交聯(lián)密度，從而來構(gòu)建局部不同的機(jī)械剛度，如圖1所示。

圖1 利用氧抑制的DLP打印原理

這樣，既保證了水凝膠結(jié)構(gòu)的打印精度，同時(shí)大大增加了曝光劑量的調(diào)控范圍，使得水凝膠結(jié)構(gòu)的剛度可以在一個(gè)較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。為了演示水凝膠結(jié)構(gòu)局部剛度的調(diào)控，研究人員打印了硬/硬、軟/硬、軟/軟三種不同組合的細(xì)桿懸挑結(jié)構(gòu)，如圖2所示。同時(shí)，還構(gòu)建了一個(gè)“外剛內(nèi)柔”的兵馬俑模型來體現(xiàn)同一模型內(nèi)部局部機(jī)械剛度的調(diào)控能力。

圖2 細(xì)桿懸挑結(jié)構(gòu)和“兵馬俑”結(jié)構(gòu)的打印展示

圖3 機(jī)械異質(zhì)水凝膠支架的生物學(xué)性能表征

該打印策略構(gòu)建的三維水凝膠結(jié)構(gòu)在生物應(yīng)用上更是大放異彩，研究人員構(gòu)建了半軟半硬的3D血管結(jié)構(gòu)模型，并在其上接種了牛肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（bPASMCs），細(xì)胞顯示了良好的生長狀況，如圖3所示，有意思的是，在不同的剛度區(qū)域內(nèi)，細(xì)胞的長勢(shì)完全不同。bPASMCs細(xì)胞在高剛度區(qū)域（大曝光劑量）進(jìn)行了非常好的黏附與遷移，但在低剛度區(qū)域（小曝光區(qū)域）卻幾乎沒有細(xì)胞的黏附生長。這進(jìn)一步說明了細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械異質(zhì)性對(duì)細(xì)胞生長的調(diào)控作用，同時(shí)也揭示了利用該方法構(gòu)建局部異質(zhì)的微機(jī)械環(huán)境的能力，和及進(jìn)行體外生物異質(zhì)組織制造的潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-06685-1