清華大學張婷、熊卓團隊：用于3D打印的載細胞微凝膠基雙相生物墨水

來源： EngineeringForLife

用于3D打印的生物墨水通常是具有適當的流變性特性的，這也是3D打印材料選擇的最重要因素。此外，墨水還需要滿足高形狀保真度和理想微環(huán)境的要求。來自清華大學的張婷副研究員和熊卓副教授團隊合作，開發(fā)了一種載細胞的微凝膠雙相生物墨水（MB），在組織工程和軟機器人等生物醫(yī)學領域有著巨大的應用前景。

相關論文“3D Printing of Cell-Laden Microgel-Based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications”發(fā)表于雜志Advanced Functional Materials上。

與傳統(tǒng)的生物墨水相比，該生物墨水由兩部分組成:(1)密排狀態(tài)下的微凝膠為離散相，形成生物墨水的第一個網狀結構;(2)水凝膠前驅體作為連續(xù)相滲透到空隙中，在微凝膠之間形成第二個聚合物網絡。首先研究者以GelMA為載體，發(fā)現MB生物墨水在3D打印過程中表現出良好的擠出和結構穩(wěn)定性，可以顯示出明顯的兩相，并且該墨水形成的凝膠能夠滿足細胞的增殖和擴散。這種方法具有很大的通用性，允許從多種材料、各種尺寸和細胞密度制備細胞負載微凝膠。（圖1）

圖1 細胞負載MB生物油墨的制備與3D打印

生物墨水的流變性對擠出式生物打印至關重要。研究者比較了MB生物墨水與本體水凝膠和傳統(tǒng)的微凝膠基（JM）生物墨水的流變性能。如預期的那樣，在室溫下，隨著剪切速率的增加，所有墨水粘度降低，并且微凝膠組分的添加增加了MB生物墨水的粘度。與傳統(tǒng)的GelMA水凝膠墨水相比，MB生物墨水的粘度與溫度無關。研究者使用海藻酸鈉和GelMA作為墨水的前驅體發(fā)現，擠出打印所需的流變特性依賴于微凝膠的緊密堆積狀態(tài)，而與微凝膠和第二網絡的組成無關。

圖2 MB生物墨水的流變性及組成的多樣性

接下來研究者研究了MB生物墨水的可打印性，發(fā)現由于阻力較小，微凝膠被間隙水凝膠前體均勻擠出，通過405nm燈后交聯進一步穩(wěn)定，相鄰層間有良好的互聯性。并且該生物墨水能夠打印出各種復雜的人體器官仿生結構。（圖3）

圖3 使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度

然后研究者比較了不同墨水的力學性能，與GelMA本體水凝膠相比，MB生物墨水和JM生物墨水表現出更大的彈性，此外，對于MB生物墨水來說，微凝膠在壓縮條件下被進一步限制在第二個網絡內，因此與JM生物墨水相比具有相對較高的彈性模量。MB生物墨水具有非凡的結構穩(wěn)健性和循環(huán)性能。（圖4）

圖4 MB生物油墨打印結構的力學表征

研究者將HepG2和HUVEC分別封裝在MB生物墨水的微凝膠和水凝膠前體中打印肝組織。發(fā)現HUVEC主要存在于MB生物墨水組的微凝膠間區(qū)域。與純水凝膠生物墨水相比，MB生物墨水組的HUVEC在第3和第7天表現出更高的增殖率，且形態(tài)延長，通過內皮細胞組裝形成隨機的管狀血管結構，覆蓋在HepG2微凝膠表面。MB生物墨水中有一個相對成熟的肝細胞基因和蛋白表達譜，能夠增強肝功能和肝臟特異性基因和蛋白的表達。（圖5-6）

圖5 三維打印血管化肝組織構建可調異質微環(huán)境

圖6 肝功能及肝特異性基因和蛋白表達水平的評價

綜上所述，這種微凝膠基雙相MB生物墨水的設計靈活，具有機械可調性、超彈性和異構微環(huán)境，為生物醫(yī)學應用(如組織工程和軟機器人技術)中的3D生物打印開辟了新的可能性。

文章來源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810