AM：三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠制造新策略-微流控輔助的光固化3D打印系統(tǒng)

來源：EngineeringForLife

生物組織中的梯度特性在生物生長發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用，從神經(jīng)管的極化到骨軟骨界面的結(jié)構(gòu)，梯度廣泛存在�？紤]到自然組織中各種梯度的重要性，在組織工程領(lǐng)域，不能忽視工程化移植組織中連續(xù)梯度特性的重現(xiàn)。然而，目前構(gòu)建組織梯度特性的方法，通常存在不可避免的瓶頸。

來自哈佛醫(yī)學(xué)院的張宇團(tuán)隊首次介紹了一種梯度DLP 生物3D打印系統(tǒng)，結(jié)合了DLP和微流控，重新設(shè)計了料槽系統(tǒng)，以構(gòu)建功能分級的支架和組織結(jié)構(gòu)。在混合墨水并混沌流動后，可以生成細(xì)胞梯度、化學(xué)梯度、機(jī)械梯度、孔隙梯度以及PEGDA和GelMA的雙墨水梯度，并可以制造具有精確可預(yù)測梯度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其中梯度結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的，也可以是離散的。相關(guān)論文“Digital Light Processing-based Bioprinting with Composable Gradients”發(fā)表于雜志Advanced Materials上。

圖1 具有不同顏色梯度的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠的打印

如圖2所示，打印系統(tǒng)包括一臺DLP打印機(jī)和一個微流控混沌混合料槽，其中料槽系統(tǒng)能以可控和可預(yù)測的方式，獲得混合梯度生物墨水。

圖2 實時可組合梯度DLP打印平臺建立和打印過程示意圖

如圖3所示，通過分別監(jiān)測2、3和5種顏色的PEGDA墨水的混合，來表征微流控混沌混合料槽的混合性能。光學(xué)圖像和RGB強(qiáng)度分布均證實，通過使用這種料槽系統(tǒng)，可以獲得所需梯度水平的均勻溶液。

圖3 2、3和5種顏色的PEGDA的混合評價微流控混沌混合料槽的混合性能

如圖4所示，通過向混沌混合料槽提供不同微通道流速不同顏色的PEGDA墨水，來研究微通道內(nèi)流體速度對混合效率的影響。光學(xué)圖像和RGB強(qiáng)度分析結(jié)果表明，微通道流速越快，混合效率越高。

圖4 微流控混沌混合料槽在不同微通道流速下多種墨水的混合效率

如圖5所示，為了更好地理解如何控制印刷過程中的圖案梯度，通過動態(tài)調(diào)整不同顏色PEGDA墨水的比例，來調(diào)節(jié)混合。結(jié)果表明，通過控制入口流速，可以精確地將所需體積的不同顏色PEGDA墨水，注入混合微通道，從而在料槽中形成連續(xù)或離散的混合梯度墨水。

圖5 控制入口流速實現(xiàn)不同梯度特性2維和3維結(jié)構(gòu)打印

如圖6所示，研究人員進(jìn)一步說明了這種基于DLP和微流控的梯度生物打印系統(tǒng)在制造具有多功能梯度的組織結(jié)構(gòu)中的生物學(xué)應(yīng)用，包括細(xì)胞密度、基質(zhì)硬度、生長因子濃度和孔隙率。

圖6 梯度生物打印系統(tǒng)在制造多功能梯度組織結(jié)構(gòu)中的生物學(xué)應(yīng)用

如圖7所示，在為期4周的成骨研究中，以三組不同流量比將成孔GelMA-葡聚糖/BMP-2/MSC墨水與GelMA/MSC墨水混合，從而構(gòu)建不同濃度梯度的混合墨水來進(jìn)行打印。免疫熒光染色和基因表達(dá)數(shù)據(jù)表明，孔隙度和BMP-2的雙重梯度成功地刺激了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨，并在很大程度上再現(xiàn)了骨組織的結(jié)構(gòu)。

圖7 孔隙率和BMP-2雙梯度誘導(dǎo)的成骨作用

綜上所述，基于DLP和重新設(shè)計的微流控混沌混合料槽，研究人員首次建立了一種能夠?qū)崿F(xiàn)實時可組合梯度結(jié)構(gòu)打印的打印系統(tǒng)。可構(gòu)建的生物墨水梯度，包括多種細(xì)胞的細(xì)胞密度、基底剛度、生長因子濃度、孔隙率和孔隙大小梯度等。并且梯度無論是連續(xù)的還是離散的，均可通過實時混合所需數(shù)量的生物墨水的體積（由入口流速控制），來方便制定。打印得到的復(fù)雜水凝膠梯度結(jié)構(gòu)，更是具有多維度、高分辨率的特點。這種基于DLP和微流控的梯度生物打印系統(tǒng)能夠再現(xiàn)自然組織的梯度特性，具有良好的分辨率和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
Mian Wang,Wanlu Li,Luis S. Mille,Terry Ching,Zeyu Luo,Guosheng Tang,Carlos Ezio Garciamendez,Ami Lesha,Michinao Hashimoto,Yu Shrike Zhang. Digital Light Processing Based Bioprinting with Composable Gradients. Advanced Materials

https://doi.org/10.1002/adma.202107038