廈門大學：3D打印器件輔助的聲學細胞三維組裝

來源：摩方精密


在前沿的組織工程、藥物開發(fā)、甚至臨床應用中，模擬體內組織結構和環(huán)境的體外模型構建都是十分重要的條件，而細胞或微結構單元的組裝方式以及細胞外基質環(huán)境在組織功能化過程中扮演關鍵角色，這也就促使了三維組織結構打印技術的發(fā)展。在這些技術中，以投影式光固化、擠出式打印技術等為代表，使用包含有細胞的水凝膠作為生物墨水材料，展現(xiàn)了優(yōu)越的生物組織構建的能力。但是，這種打印仍局限于對生物墨水整體打印，而其中的細胞是隨機分布的，難以主動的對細胞組建微結構單元，這也是目前生物打印面臨的一個挑戰(zhàn)。

近些年，聲波作為一種易于集成、高生物親和性且高精度的控制手段，在細胞的靈活操控和高效組裝應用中得到廣泛研究，比如將聲波與微流控相結合的聲流控與聲鑷技術，特別適合操控細胞構建類組織的體外模型。而如何將二維的聲場操控技術拓展到三維，并進行三維組織結構的組裝，是其邁向生物3D打印需要解決的難題。近日，廈門大學陳鷺劍教授、胡學佳助理教授與武漢大學楊奕教授課題組合作提出了一種新的解決方案：結合層片打印和聲學操控細胞三維結構組裝，并以題為：Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution發(fā)表于Biofabrication 期刊上。

圖1.聲學3D細胞組裝示意圖。

借鑒多層光固化打印的思路，本研究提出基于聲表面波在凝膠層片中直接操控細胞組成特征結構，并對層片單元進行多層組裝，成功實現(xiàn)了細胞的三維結構組裝和仿生組織構建。圖一中展示了該策略的示意圖，該技術在Z-切鈮酸鋰基底上設計具有六重旋轉對稱的換能器配置，保證較大的調制自由度，通過波矢組合、相位組合以及振幅調制（圖1b），能夠將層片中細胞組裝成為多樣的結構。而為了將表面波產生的二維聲場和二維細胞結構拓展到三維空間，使用了摩方精密的PμSL高精度3D打印技術（nanoArch P150，摩方精密)，來制造高精度模塊化框架，與表面波聲場耦合，并在該框架中實現(xiàn)細胞組裝（圖1c）。GelMA 60作為生物墨水，經過光固化后，可形成具有微觀結構的凝膠層片。再將該凝膠層片作為二維單元，進行多層的對齊組裝以及使用水凝膠融合，即可得到被凝膠基質固定的微觀三維結構。

圖2.結合3D打印模組的器件示意圖。

作為論證，圖三展示結合3D打印組件的聲波裝置調制產生的多種聲場結構，其具有不同的特征單元，比如類血管的環(huán)形結構、類肝小葉的蜂巢結構以及密堆的點陣結構等等，并且通過實驗驗證其進行靈活細胞組裝的能力（圖3b）。通過二次三維組裝，研究人員實現(xiàn)了多種三維的細胞尺度的類組織模型構建，包括空心管狀的毛細血管組織、交織的組織結構以及類肝小葉蜂巢組織等（圖4）。這些特征單元的尺度取決于聲場的周期，可以通過設計實現(xiàn)在幾十微米到數(shù)百微米變化。而在三維空間上，由于使用高精度打印的單元結構，這些層片的厚度可以低至100微米，能夠通過設計不同層間距離適配不同組織高度的需求。并且這些三維類組織模型經過培養(yǎng)展現(xiàn)了較好的活性，微觀上緊密連接的仿生結構進一步促進了細胞與組織功能化的過程，比如實驗中驗證發(fā)現(xiàn)，管狀的三維模型在長期培養(yǎng)的過程中細胞之間相互連接融合并展現(xiàn)血管化趨勢。

圖4.對細胞層片單元進行多層組裝，構建的多種三維結構熒光共聚焦圖。

該聲學細胞3D組裝技術將聲表面波的二維操控能力拓展到三維空間，展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢，比如直接對細胞組裝、精準構造組織結構、靈活可控以及操作簡便。這項研究展現(xiàn)了對生物墨水打印之外對微觀介質構建的能力，從新的維度提出了一種創(chuàng)新的技術路線。

論文信息：Hu, X. J.; Zheng, J. J.; Hu, Q. H.; Liang, L.; Yang, D. Y.; Cheng, Y. X.; Li, S. S.; Chen, L. J.; Yang, Y., Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution. Biofabrication 2022, 14 (4)，045003

DOI：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac7c90