多室水凝膠纖維誘導細胞組織定向

來源：EngineeringForLife

大多數(shù)組織中的細胞在空間分布和排列上都表現(xiàn)出高度的組織性，這種有組織的結構對于成熟過程中細胞的正常發(fā)育和成熟組織的功能至關重要。因此，用于組織工程應用的生物制造細胞支架折疊需要模仿這種細胞結構，以復制自然組織的行為。在組織工程支架的制造中，將具有細胞大小分辨率的理化線索融入三維支架中以引導所需的細胞組織則仍十分具有挑戰(zhàn)性。University of Connecticut Health Center的Ali Tamayol課題組在Applied Physics Reviews上發(fā)表了題為“Controlling cellular organization in bioprinting through designed 3D microcompartmentalization”的論文，研究報道了一種快速、簡單和經濟有效的方法，用于連續(xù)打印具有內在三維微絲的多室水凝膠纖維，以控制細胞取向。這種策略可以很容易地應用于各種基于纖維的組織工程方法，包括3D生物打印和生物編織品制造，控制細胞組織，促進更多仿生結構的生物制造。

多室水凝膠纖維的制備工藝如圖1，打印噴頭主要是將靜態(tài)混合器集成到同軸擠出裝置中，用于打印具有圖形化內部微形貌的海藻酸/ GelMA水凝膠纖維。海藻酸、GelMA兩相水凝膠在靜待混合器的多次分割下形成互相隔離的微纖維結構，然后通過同軸微流控裝置的內部通道擠壓，并接觸鈣離子，形成藻酸鹽凝膠以及UV光固化來穩(wěn)定結構。在設計的微結構中，GelMA部分提供了有利于細胞的環(huán)境，而海藻酸提供了形態(tài)和機械支撐，引導細胞的方向。結果表明，微形貌的組織和細胞排列，可以通過控制打印過程中的流動參數(shù)來定制。盡管宏觀纖維的直徑大于1mm，但精確調整的內部微形貌成功誘導了細胞擴散和對齊，這有助于細胞快速增殖和分化向成熟的生物結構。

圖1 多室水凝膠纖維制造原理示意圖

靜態(tài)混合器與各階段的水凝膠纖維橫截面如圖2，靜態(tài)混合器由多個螺旋元件組成，在不同的方向上間歇扭轉，用于形成多螺旋結構。如模擬所示，該裝置中的每個混合元件將混合流體切割成兩個子流。通過向混合器中注入兩種不同的溶液，流體被連續(xù)地分成更多的子流，形成不同條紋的陣列。并且可以通過控制靜態(tài)混合器中元件的數(shù)量，可以形成厚度和條紋數(shù)量可調的內部結構。同軸的通道結構，則可以通過調節(jié)內外兩相液體的流速比例，準確控制最終纖維尺寸。

圖2 多室水凝膠纖維相關表征

為驗證該纖維結構對形成細胞定向組織的影響，研究比較了在多室凝膠纖維中與在用預混合生物墨水制作的纖維中培養(yǎng)的成肌細胞的行為。盡管纖維的直徑(>1mm)比細胞大小大，但24小時后在多室凝膠纖維中觀察到高度對齊的細胞組織，而預混纖維包裹的細胞幾乎保持球形，如圖3。該結果可以通過以下方式來解釋：（1）細胞在藻酸鹽切片上和GelMA微絲中不同的擴散傾向；（2）纖維內部微結構作為指導細胞排列的拓撲線索；（3）由于GelMA和藻酸鹽切片中的支架剛度差異，細胞受到不同機械刺激。

在細胞活性方面，GelMA區(qū)域的存在確保了細胞的擴散和增殖。而在預混合凝膠結構中，海藻酸鹽的存在導致支架無法降解，因此不能提供足夠的空間進行細胞的擴散和增殖。隨著時間的推移，細胞的活性和增殖速度低于多室水凝膠纖維中的結果。

圖3 多室水凝膠纖維的細胞組織和代謝活性

通過設置不同的同軸流速比，可以調整細胞取向與纖維軸向的角度，如圖4。隨著流速比例的變化，可以對纖維內的細胞組織結構進行實時控制。

圖4 多室水凝膠纖維內細胞組織取向的實時控制

基于纖維的生物制造方法可用于制造各向異性組織（如肌肉）的仿生支架。在生物工程支架中模擬這類組織的纖維結構可以調節(jié)被包裹的細胞的行為以增強肌生成。為證明這個概念，研究驗證了所提出的支持成肌細胞成熟的策略，如圖5。肌細胞迅速增殖、融合并形成多核肌管。在包封后第7天，水凝膠纖維被高度定向的密集排列的肌管完全占據(jù)，形成一個束狀結構。多室水凝膠纖維中成肌標志物的表達也表明細胞分化成熟并形成肌纖維。

圖5 多室水凝膠纖維作為肌肉組織工程支架的應用前景

本研究中的多室水凝膠纖維最重要的優(yōu)點之一是與現(xiàn)有的基于纖維的生物制造方法相容，可用于構建具有生理尺寸的更大結構。圖6表明了纖維具有（1）打印多層網狀、單向結構；（2）各類編織結構；（3）細胞負載的編織與繩結結構的能力。

圖6 多室水凝膠纖維在生物制造中的應用

總結，本文利用靜態(tài)混合器與同軸打印相結合，制造多室水凝膠纖維的具有沿纖維軸向的內部微絲，為改進對天然肌肉組織的模擬和誘導成肌細胞對齊提供了機會。該生物制造策略簡單而穩(wěn)健，且可以很容易地與任何擠壓生物打印或纖維紡絲裝置集成，以制造能夠控制細胞排列的多室支架。