生物3D打印具有電子嗅覺潛力的生物鼻子

來源：EngineeringForLife

從結(jié)構(gòu)的相似走向功能的逼近是生物3D打印的必然趨勢(shì)，來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在常見的軟骨打印基礎(chǔ)上，演示了集成生物傳感功能的生物鼻子原型，展示了生物3D打印再現(xiàn)復(fù)雜組織功能的光明前景。

近期發(fā)表在Advance Science雜志上題為“A 3D‐Printed Hybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”的文章，來自哈佛醫(yī)學(xué)院的Su Ryon Shin團(tuán)隊(duì)。

在這里，Su Ryon Shin團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種軟骨細(xì)胞負(fù)載的三維生物打印軟骨樣結(jié)構(gòu)，帶有電子嗅覺模擬生物傳感器。由甲基丙烯?；z（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）組成的光交聯(lián)水凝膠生物墨水可以通過調(diào)節(jié)生物墨水的機(jī)械性能，形成一個(gè)機(jī)械穩(wěn)定、生物相容的三維微環(huán)境，以支持軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。因此，可以優(yōu)化由不同水凝膠濃度組成的具有硬和軟機(jī)械性能的兩種不同的生物墨水，以模擬鼻軟骨天然ECM的機(jī)械性能，從而允許鼻軟骨組織的形成。

圖1  3D打印電子鼻軟骨示意圖

通過增加硬層數(shù)，可以獲得更高的幾何精度和力學(xué)性能。這種可調(diào)性對(duì)于具有復(fù)雜打印模式和噴嘴在所有X、Y和Z方向移動(dòng)的3D生物打印結(jié)構(gòu)尤其有用，即3D鼻模型中的噴嘴移動(dòng)。不僅如此，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度可以抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)和ECM的分泌。在這種情況下，使用更高的軟硬比將為軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)提供更合適的基質(zhì)。不同軟硬比試件的力學(xué)壓縮試驗(yàn)表明，1:0、1:1和1:2的楊氏模量無顯著差異。然而，楊氏模量在2:1和1:2之間顯著增加。結(jié)果，選擇（1:2）的比例來創(chuàng)建具有結(jié)構(gòu)完整性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供與軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)和軟骨發(fā)育所需的ECM相同的力學(xué)性能。

圖2  3D打印鼻在不同軟硬層數(shù)比時(shí)的性能表征

充滿細(xì)胞的柔軟和堅(jiān)硬的印刷層組成的3D打印結(jié)構(gòu)可以作為一種合適的支架，用于軟骨細(xì)胞的播種和封裝，以改善3D中的軟骨生成行為并促進(jìn)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的沉積。該團(tuán)隊(duì)首先將軟骨細(xì)胞封裝在軟性生物墨水中，并在雙噴嘴打印過程中使用含細(xì)胞軟墨水和無細(xì)胞硬墨水打印多材料結(jié)構(gòu)。接下來，讓充滿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定下來，并在體外培養(yǎng)2天。為了提高細(xì)胞的活力和增加整個(gè)大尺度結(jié)構(gòu)的細(xì)胞密度，在打印后的第2天，在打印的結(jié)構(gòu)上種植更多的軟骨細(xì)胞。將軟骨細(xì)胞接種到印刷體上也可以提高細(xì)胞信號(hào)和整個(gè)結(jié)構(gòu)的互連性。

圖3 載細(xì)胞墨水在體外培養(yǎng)過程中的特性表征

在優(yōu)化印刷和軟骨發(fā)育成熟后的下一步是創(chuàng)造一種結(jié)合傳感能力的混合鼻結(jié)構(gòu)。印刷鼻孔模型的凸幾何形狀以及鼻孔腔需要一個(gè)具有卷曲和凹凸的相對(duì)褶皺的印刷圖案。當(dāng)傳感器室暴露在外時(shí)，在兩個(gè)功能化傳感器上打印雙墨水電池負(fù)載的鼻子（圖4a，d）。為了更好地說明使用顏色對(duì)比的鼻子的多材料印刷，圖4c中的鼻子使用1:1的墨水比例印刷（硬層顯示為綠色，軟層顯示為紅色）。

圖4 生物傳感系統(tǒng)與3D打印結(jié)構(gòu)的集成

EIS是一種無標(biāo)記的檢測(cè)方法，最近被用作一種快速可靠的方法來檢測(cè)各種化學(xué)氣味、空氣中的病原體和具有高靈敏度的生物標(biāo)記物。類似于嗅覺上皮的傳感機(jī)制，EIS系統(tǒng)可以通過創(chuàng)建一個(gè)類似于通過鼻粘液的傳感平臺(tái)來模擬氣味結(jié)合機(jī)制。該團(tuán)隊(duì)采用這種檢測(cè)方法開發(fā)了雜交鼻子的生物傳感組件（圖5a），基于Au的生物傳感在生物傳感器官能團(tuán)中提供了高度靈活性，用多種天然或合成受體檢測(cè)各種各樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括爆炸物和人類難以察覺的生物分子。

圖5 生物傳感檢測(cè)TNT分子機(jī)理與過程

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901878