嵌入式3D打印用于精確制造圖案化的人類神經結構

供稿人：白路歌 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

制造神經3D模型需要在細胞外基質（ECM）的極軟環(huán)境中控制細胞的空間排列，但常用于模擬ECM的軟水凝膠缺乏打印結構完整性，使得制造具有精確空間排列的神經組織體外模型仍然具有挑戰(zhàn)性。

嵌入式3D打印具有巨大的前景，因為它允許對極軟組織結構進行精確的構圖。來自瑞典隆德大學的Janko Kajtez等提出了一種稱為自修復顆粒ECM（SHAPE）的復合材料作為嵌入式3D打印的支撐浴。如圖1A所示，SHAPE由粘性生物功能聚合物溶液（由膠原蛋白、層粘連蛋白、透明質酸和纖連蛋白等ECM大分子組成，≈30%體積分數(shù)）和浸泡在其中的凝膠顆粒（粒徑＜5um的藻酸鹽水凝膠顆粒，≈70%體積分數(shù)）組成。依賴于高填充密度的顆粒組分，SHAPE在打印時表現(xiàn)出剪切變薄行為，即在靜止狀態(tài)下表現(xiàn)為固體，在低剪切應力下表現(xiàn)為粘性液體，并能夠以可逆方式經歷重復的固-液轉變，這種流變特性導致SHAPE材料作為支撐浴能夠實現(xiàn)精確的墨水沉積和在針的尾流中的快速自愈，保證了打印結構的精確度和完整性。同時由于組分中膠原蛋白的熱交聯(lián)性能，當溫度升高至37℃時SHAPE發(fā)生不可逆凝膠化，使得打印結構具備長期的結構穩(wěn)定性。

研究者將SHAPE作為支撐浴，嵌入式打印了直徑為15mm的球形螺旋路徑。如圖1B所示，支撐浴中的印刷結構以高保真度再現(xiàn)，沒有因打印期間針頭的進入和移動而造成可見的偏移或損壞。

圖1 在SHAPE支撐浴中進行嵌入式3D打印的過程示意圖

圖2分別為水凝膠樣品在中性pH下，        溫度變化的情況下表現(xiàn)出的凝膠轉化特性，其中圖2(g)為溫度誘導的NS-HBC-MA溶液的溶膠-凝膠轉變示意圖。在低溫條件下，羥基丁基的疏水性可歸因于其高分散性。在凝膠化溫度以上，HBC-MA之間的疏水相互作用增加，導致聚合物溶液的聚集和凝固。NS-HBC-MA中琥珀�；�的存在減少了疏水相互作用，需要高溫才能形成水凝膠。這表明琥珀�；�的程度影響了聚合物溶液的凝膠化性質，且由圖可以看出，溶液的凝膠化溫度隨溶液濃度的增加而下降，這些結果表明，NS-HBC-MA在生理溫度下可以形成水凝膠，而琥珀�；�的程度和濃度對其凝膠化溫度有很強的影響，度交聯(lián)在功能上被證實是NS-HBC-MA的一種行為。

圖2嵌入式打印的神經組織結構及細胞染色圖

SHAPE既為高保真嵌入式打印提供物理支持，又為健康的細胞生長、成熟和活動提供細胞間微環(huán)境�；�于SHAPE的嵌入式生物3D打印實現(xiàn)了人類干細胞的精確和可編程模式化，有潛力用于神經結構的功能建模，并且可以通過調整顆粒和粘性溶液的組分和含量、搭配不同的交聯(lián)機制來適應其他組織類型、引入新的生物功能，為體外3D軟組織的構建開辟了新的可能性。

參考文獻：
Kajtez J, Wesseler M F, Birtele M, et al. Embedded 3D Printing in Self‐Healing Annealable Composites for Precise Patterning of Functionally Mature Human Neural Constructs[J]. Advanced Science, 2022, 9(25): 2201392.