用于制造血管化組織的高細(xì)胞密度和高分辨率3D生物打印

供稿人：白路歌、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

生物組織中高細(xì)胞密度特征（HCD）對維持組織的正常功能至關(guān)重要，天然人體組織的細(xì)胞密度通常為10億-30億個(gè)細(xì)胞/mL，然而目前用于組織生物打印的細(xì)胞密度僅為100萬-1000萬個(gè)細(xì)胞/mL。此外，由于缺乏在組織內(nèi)部同步制造可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的能力，工程組織的厚度受到限制。因此，為了更貼近天然組織，在3D工程組織中實(shí)現(xiàn)HCD打印和高分辨率血管網(wǎng)絡(luò)打印至關(guān)重要。

近年來，基于數(shù)字光處理（DLP）的生物3D打印由于其高分辨率、高細(xì)胞活力和高速度而成為一種有前途的生物制造技術(shù)（圖1D）。在理想情況下，打印層將與光投影截面的形狀完全匹配。然而在生物墨水中摻入細(xì)胞會引起嚴(yán)重的光散射，導(dǎo)致打印層不能復(fù)制投影截面的精細(xì)細(xì)節(jié)，所以目前相關(guān)研究僅限于低細(xì)胞密度（≤1000萬個(gè)細(xì)胞/ml）。

為了解決此問題，來自美國加利福尼亞大學(xué)的Shaochen Chen團(tuán)隊(duì)在GelMA生物墨水中加入碘二醇（IDX），從而可以精確地調(diào)整生物墨水的折射率，使其與被包裹細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)折射率相匹配，最大限度地降低細(xì)胞引起的散射效應(yīng)（約10倍），從而大大提高分辨率 （圖1B，1C）。使用此改良墨水，研究者實(shí)現(xiàn)了250μm厚度的輻條形和雪花形3D結(jié)構(gòu)的HCD（1億個(gè)細(xì)胞/mL）高精度（≤50μm）打印。

圖1 基于DLP生物打印方法實(shí)現(xiàn)HCD高精度打印

研究者使用研發(fā)的生物墨水，摻入4000萬個(gè)細(xì)胞/mL，3D打印了尺寸為17mm × 11mm × 3.6 mm的預(yù)血管化厚組織結(jié)構(gòu)（圖2A），其中血管直徑范圍為250 ~ 600 μm（圖2B，2C，2D），隨后使用微流體蠕動(dòng)泵對組織進(jìn)行灌流培養(yǎng)至14天（圖2A）。結(jié)果表明，用于灌注培養(yǎng)的血管網(wǎng)絡(luò)提高了細(xì)胞存活率（66%）（圖2E），細(xì)胞沿著打印的管腔形成了致密而均勻的內(nèi)皮細(xì)胞單層，打印管腔外出現(xiàn)血管新生，而且出現(xiàn)了兩個(gè)血管通道合并/分裂現(xiàn)象（圖2F，2G），這證實(shí)了HCD高精度3D打印功能化預(yù)血管化組織的可行性。

圖2 血管化可灌注厚組織的3D打印及結(jié)果表征

研究者通過在GelMA生物墨水中添加IDX，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了HCD、高活力和高分辨率的3D生物打印，制造了厚組織內(nèi)精細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，這項(xiàng)工作代表了在3D生物打印中實(shí)現(xiàn)高分辨率和HCD的最先進(jìn)技術(shù)。此外，這種技術(shù)可拓展應(yīng)用于大多數(shù)生物材料和細(xì)胞類型，除了DLP方法之外，該方法還可以應(yīng)用于其他基于光的3D打印技術(shù)，為制造功能性大規(guī)模、臨床可移植的組織或器官提供重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：
You S, Xiang Y, Hwang H H, et al. High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues[J]. Science Advances, 2023, 9(8): eade7923.