AM：3D打印載凝膠模塊化微籠支架

來源： EngineeringForLife

傳統(tǒng)的組織工程支架很難在尺寸或形狀上調(diào)整以適應(yīng)缺陷部位，也無法提供空間分布復(fù)雜的負載（細胞、生長因子等）。近期，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)(波特蘭)Luiz E. Bertassoni團隊在Advanced Materials上發(fā)表了題為“3D Printing of Microgel-loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering”的研究論文。利用光固化3D打印技術(shù)制造了一種新型的樂高式模塊化微籠支架，該模塊化支架可以輕松手動組裝，并且具有很高的擴展性。此外，模塊化的空心微籠設(shè)計允許每個單元裝載不同組分的生物凝膠，組裝后的整體結(jié)構(gòu)具有異質(zhì)分布。模塊化的微籠設(shè)計概念具有裝配簡單、可擴展性好、加載性能可控等特點，是一種可擴展到多種材料以提高生物性能的靈活系統(tǒng)。

如圖1，研究人員首先通過光固化3D打印（DLP）技術(shù)，將高密度的β-TCP材料打印成微籠框架，每個支架單元的尺寸為1.5*1.5*1.5mm的空心籠狀，壁厚為230-560μm。多個微籠支架可以互相堆疊、組裝，形成各種結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實際組織工程中目標組織的尺寸與形態(tài)需求。

圖1 模塊化微籠支架的設(shè)計、打印與組裝

構(gòu)造具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分組織的策略很少見，且這些通常需要復(fù)雜的方法。中空微籠設(shè)計的另一個作用是能夠以空間可控的方式在支架上填充所需材料。本研究中所填充的材料是甲基丙烯酸酯化明膠（GelMA），同樣利用DLP打印成具有各種幾何形狀的尺寸小于500*500μm的微凝膠（圖2）。

圖2 DLP打印的具有不同形狀GelMA微凝膠

為體現(xiàn)微凝膠填充支架的異質(zhì)性優(yōu)勢，研究人員用不同組合的人血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、血小板衍生生長因子（PDGF）以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (BMP2)制備微凝膠，并使用不同的熒光標記，并與傳統(tǒng)的直接澆筑凝膠作為對比，體現(xiàn)生物材料的異質(zhì)性分布，如圖3。這些微凝膠可以很容易地在潮濕或干燥的條件下進行注射或其它方式加載到單個的微籠模塊中。微籠也可以預(yù)加載凍干生長因子負載的水凝膠，通過對預(yù)加載堆進行簡單堆積的直觀過程，可以獲得異質(zhì)性3D結(jié)構(gòu)的組裝。

圖3 微凝膠異質(zhì)性分布與傳統(tǒng)的澆筑凝膠對比

此外，為了探究位于微籠支架中不同區(qū)域的生長因子的位點特異性遷移，研究人員將細胞單層接種在位于3×1微籠支架上方的Transwell板中。一個微籠(左側(cè))充滿VEGF負載的GelMA微凝膠，中間微籠充滿無添加的微凝膠，另一個微籠(右側(cè))充滿PDGF負載的微凝膠。結(jié)果表明，遷移模式遵循了濃度梯度變化，如圖3（I,K）。與無添加的微凝膠的微籠子相比，VEGF對細胞有明顯的吸引力，并刺激細胞遷移，含有PDGF的微凝膠也顯示了定向遷移的模式。另一方面，充分浸漬了攜帶VEGF和PDGF混合物的水凝膠的微籠構(gòu)建形成了一個復(fù)合整體，沒有顯示指示的細胞遷移模式，如圖3（J,K）。并且，當細胞能夠按指示方式遷移時，微凝膠負載支架的細胞總數(shù)也比單純水凝膠負載支架的細胞總數(shù)要高。

最后，研究人員在體內(nèi)和體外對細胞侵染微凝膠支架核心的能力進行了表征。體外實驗中，裝有微凝膠的微籠中，細胞均勻分布于樣品的厚度，可見肌動蛋白絲遍布整個結(jié)構(gòu)，而水凝膠澆筑的微籠主要形成單層細胞，局限于水凝膠的外表面，如圖4（A-B）。值得注意的是，細胞似乎符合微凝膠的輪廓，這主要是由微凝膠之間形成的孔決定的。在體內(nèi)實驗中，將兩個4×4微籠樣品皮下植入大鼠模型，其結(jié)果是通常血管生長量的將近三倍。裝有微凝膠的微籠支架內(nèi)每平方毫米的細胞總數(shù)比完全浸漬的樣品高約2.3倍此外，與完全浸漬的樣品相比，裝有微凝膠的支架中的血管總數(shù)平均增加了3.5倍，如圖4（C-G）。

圖4 細胞侵染微凝膠支架核心的體內(nèi)與體外實驗結(jié)果