生物3D打印新玩法：打印結(jié)構(gòu)泡泡就變小了

來源： EngineeringForLife

由于材料適用范圍廣、操作簡單，擠出式生物3D打印在生物醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，受限于噴嘴尺寸和水凝膠特性，擠出打印纖維的分辨率通常為幾百微米。現(xiàn)有提高精度的策略聚焦在改善打印機硬件及墨水性能上，例如使用較小直徑的噴嘴或高黏度的墨水。但是，這些情況都不可避免地增加了擠出力，從而導(dǎo)致細(xì)胞所受的剪應(yīng)力顯著增加，大大影響細(xì)胞存活率。

近日，哈佛醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授團(tuán)隊提出了收縮打印新策略，通過打印結(jié)構(gòu)的后處理（絡(luò)合誘導(dǎo)）來提高分辨率，不需要改變?nèi)魏未蛴C硬件或墨水成份。具體地，將基于親水性多離子生物墨水（GelMA、HAMA、海藻酸酸鈉等）打印的水凝膠結(jié)構(gòu)浸泡在電荷相反的聚陽離子殼聚糖溶液中，電荷絡(luò)合作用導(dǎo)致水從凝膠中排出，導(dǎo)致水凝膠結(jié)構(gòu)迅速收縮。相關(guān)論文“Complexation-inducedresolution enhancement of 3D-printed hydrogel constructs”已發(fā)表在Nature Communications上。

首先，以HAMA水凝膠為例，系統(tǒng)地研究了絡(luò)合作用誘導(dǎo)的水凝膠收縮機制，并定性定量分析了材料參數(shù)對收縮程度的影響規(guī)律（圖1）。圓柱形HAMA水凝膠在殼聚糖醋酸溶液中浸泡后直徑和高度縮小了60%，體積減少了21%。而且殼聚糖的分子量越大，電荷密度越高，收縮率就越高。此外，水凝膠的初始體積雖然影響收縮時間，但對收縮程度并無明顯影響。

圖1 絡(luò)合作用誘導(dǎo)的水凝膠收縮機制：（a）收縮原理示意圖；（b）HAMA水凝膠在殼聚糖溶液中浸泡前后的對比圖；（c）HAMA水凝膠在殼聚糖溶液中浸泡前后的尺寸變化定量分析；（d）殼聚糖分子量和電荷密度對收縮程度的影響；（e）熒光標(biāo)記的殼聚糖在HAMA中的擴散過程；（f）殼聚糖水凝膠在醋酸溶液中溶脹（下）但在海藻酸溶液中收縮（上）

接著針對幾種典型的擠出3D打印技術(shù)進(jìn)行了收縮打印策略的有效應(yīng)驗證研究，包括直接擠出打印、犧牲打印微流道和同軸打印中空纖維，如圖2-4所示。采用這些技術(shù)打印的水凝膠結(jié)構(gòu)都觀察到了成功的收縮，證明了收縮打印方法的廣泛適用性。

圖2 直接擠出打印HAMA結(jié)構(gòu)的收縮行為研究：（a）收縮過程示意圖；（b）（c）HAMA的可打印性分析；（d-i）打印的HAMA結(jié)構(gòu)的定性定量尺寸收縮分析

圖3 犧牲打印內(nèi)含微流道的HAMA結(jié)構(gòu)的收縮行為研究：（a）收縮過程示意圖；（b）（c）基于F127犧牲材料的流道打印收縮定性定量分析；（d-i）基于高精度PCL支架犧牲層的流道打印收縮定性定量分析

圖4 同軸擠出打印HAMA中空纖維的收縮行為研究：（a）（b）同軸打印原理及收縮過程示意圖；（c-g）打印的HAMA中空纖維的尺寸收縮定性定量分析

最后，研究了收縮打印方法的生物相容性。設(shè)計了兩種收縮工藝：一步收縮和連續(xù)收縮，并比較了它們對MCF-7細(xì)胞存活率的影響。結(jié)果表明連續(xù)兩次較低程度的收縮可以最大限度地減少收縮對包裹細(xì)胞的損害，并保持其增殖潛力，驗證了收縮打印在直接載細(xì)胞打印中的適用性。

圖5 收縮打印策略的生物相容性研究：（a）一步收縮和連續(xù)收縮原理示意圖；（b）（c）兩種收縮方式下的MCF-7細(xì)胞活性分析定形定量分析；（d）（e）MCF-7細(xì)胞的增殖marker（ki67）定性定量分析

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14997-4
參考文獻(xiàn)：
Complexation-inducedresolution enhancement of 3D-printed hydrogel constructs