生物3D打印帶介觀孔隙結(jié)構的大尺寸體外組織

來源： EngineeringForLife

水凝膠固有的致密微觀孔隙網(wǎng)絡，營養(yǎng)/氧氣供應能力有限，需額外引入營養(yǎng)輸送網(wǎng)絡以提高營養(yǎng)輸送效率，滿足細胞生長發(fā)育的需求。目前常見的帶宏觀孔隙的水凝膠結(jié)構打印，即宏觀孔隙網(wǎng)絡（≥1mm）結(jié)構打印，由于水凝膠強度比較低，打印大孔隙結(jié)構時宏觀多孔結(jié)構易坍塌，導致大尺寸組織打印后內(nèi)部營養(yǎng)不良。本研究中，我們繼續(xù)推進大尺寸組織的體外構建，提出在水凝膠材料內(nèi)構造介觀尺度孔隙概念，孔隙范圍100 μm-1 mm，介觀孔隙可同時發(fā)揮營養(yǎng)/氧氣供應和強度支撐作用，能兼顧生物性能和可打印性的要求（圖1）。

圖1A) 多尺度孔隙在組織工程中的功能 B) 目前采用的致密水凝膠網(wǎng)絡用于結(jié)構支撐；期望的是兼顧結(jié)構支撐和營養(yǎng)輸送的介觀尺度孔隙網(wǎng)絡

我們設計了載犧牲微明膠生物墨水，實現(xiàn)了介觀孔隙網(wǎng)絡活性結(jié)構的高效打印。結(jié)構具有高保真度的同時，保持了較高的生物活性，細胞可在介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構內(nèi)發(fā)生類體內(nèi)生長行為，如伸展、遷移、連接及組織新生等。

載犧牲微明膠生物墨水具體制備過程分三步（圖2），i)將明膠溶液通過低溫冷卻完全凝膠化；ii) 通過打印用的噴頭，將低溫凝膠化的明膠平穩(wěn)勻速的擠碎成微明膠顆粒，擠碎的同時直接擠至載有相應細胞的GelMA生物墨水，隨后混合均勻；iii)將載有犧牲微明膠和細胞的GelMA生物墨水裝入打印用的注射器，并冷卻成可打印的預凝膠化生物墨水。值得注意的是，在冷卻制備可打印的預凝膠化生物墨水過程中，裝墨水的注射器要每隔20秒翻轉(zhuǎn)一次，以確保細胞和犧牲微明膠混合均勻。

圖2 載微明膠GelMA預凝膠化生物墨水制備過程

利用載犧牲微明膠生物墨水，可實現(xiàn)介孔營養(yǎng)網(wǎng)絡結(jié)構打�。▓D3）。

圖3 打印的介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構

通過調(diào)整不同擠出噴頭制備不同尺寸的微明膠，可以實現(xiàn)具有不同尺寸孔隙結(jié)構的打印。此外，調(diào)整預凝膠生物墨水中的微明膠比例，可以實現(xiàn)不同孔隙率結(jié)構打印。（圖4）

圖4 不同孔隙尺寸，不同孔隙率結(jié)構的打印

此外，由于犧牲微明膠和GelMA相互協(xié)同工作，增強了整個生物墨水體系的可打印性，能夠容易的實現(xiàn)復雜結(jié)構的打印，圖5,6所示。

圖5 二維復雜介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構打印

圖6 三維復雜介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構打印

為了模擬生物體內(nèi)細胞或細胞外基質(zhì)組成多樣性，我們還模擬制造了多細胞或多材料組織結(jié)構。如圖7所示，采用多合一噴頭裝置，可以切換多種載細胞材料進行打印。打印時，選擇性的通入目標載細胞材料，可以打印出多組分介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構。

圖7 多組分介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構打印

為了驗證介觀孔隙網(wǎng)絡能有效的傳輸營養(yǎng)/氧氣，促進細胞存活及組織的再生，我們打印了載細胞的介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(10 mm × 10 mm × 10 mm)，并觀察結(jié)構體內(nèi)的細胞生長狀況，如圖8所示，細胞在介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構內(nèi)逐漸伸展、遷移并連接，驗證了介觀孔隙網(wǎng)絡傳輸營養(yǎng)/氧氣的有效性。

圖8 細胞在多孔結(jié)構內(nèi)自由伸展、遷移、連接形成活性組織結(jié)構體

利用載犧牲微明膠生物墨水，直接打印高生物活性介觀孔隙網(wǎng)絡結(jié)構，能有效的促進細胞存活及活性組織形成。犧牲微凝膠可通過自適應的制造方式制備，微凝膠尺寸高度可控，打印時不會堵塞噴頭，同時打印結(jié)構的孔隙尺寸、孔隙率等均可控。同時，由于犧牲微凝膠與載細胞墨水協(xié)同相互作用，增強了整個墨水體系的可打印性，利于結(jié)構的高效打印。此外，我們設計的多合一噴頭用于打印多材料異質(zhì)結(jié)構，使復雜異質(zhì)組織結(jié)構的制造成為可能。

相關論文“Sacrificial microgel‑laden bioink‑enabled 3Dbioprinting of mesoscale pore networks”近日刊登在Bio-Design and Manufacturing雜志上。第一作者為邵磊博士生，通訊作者為賀永教授，浙二醫(yī)院的劉震杰醫(yī)生，高慶博士為共同通訊。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42242-020-00062-y