《AFM》：多材料DLP生物打印有可灌注網絡的異質水凝膠

來源： EFL生物3D打印與生物制造

建立模擬活體組織和器官復雜異質性的體外模型對于增強科研人員對生物機制的理解以及開發(fā)組織工程和再生醫(yī)學的新藥物和療法至關重要。傳統(tǒng)的生物打印方法，例如基于擠出和單一材料的數(shù)字光處理（DLP）生物打印，無法捕捉自然組織復雜的機械和結構多樣性。

為了解決這個問題，深圳大學的孟思副研究員和孔湉湉教授團隊將多材料DLP生物打印與PEGDA-AAm（簡稱PA）生物墨水相結合，開發(fā)多組分、多模量、充滿細胞的水凝膠結構。這些結構不僅具有異質機械性能，而且還具有復雜的結構和精確設計的表面微觀結構。

相關研究成果以“Multi-Material Digital Light Processing (DLP) Bioprinting of Heterogeneous Hydrogel Constructs with Perfusable Networks”為題于2024年4月8日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

為了打印水凝膠結構，使用基于DLP的打印機來固化水凝膠前體（圖1），該打印機具有波長為405 nm的LED光源，最大光強度為≈100 mW cm−2。為了配制用于DLP打印機的生物墨水，研究者將AAm和PEGDA分別作為水凝膠的軟結構成分和硬結構成分來制備水凝膠前體。該配方中，苯基2,4,6-三甲基苯甲酰次膦酸鋰（LAP）作為光引發(fā)劑和紅色食用染料作為光吸收劑。

圖1 用作模擬異質人體組織結構的體外模型的水凝膠結構的示意圖

生物墨水的凝膠時間（Tgel）顯著影響印刷適性。研究者將濃度分別為25、35和50 wt%的1 mL PA生物墨水樣品在玻璃瓶中進行10秒的光交聯(lián)。結果顯示，濃度為25和35 wt%的PA生物墨水僅表現(xiàn)出部分凝膠化，濃度為50 wt%的PA生物墨水顯示出完全凝膠化和凝固，幾乎觀察不到墨水流動。這表明50 wt% PA生物墨水具有更快的固化過程，使其更適合創(chuàng)建復雜的結構（圖2A）。流變測試和模量計算也顯示50%單體濃度的PA生物墨水成為增強可打印性的更有希望的候選者（圖2B-C），使其成為后續(xù)實驗的首選。此外，研究者優(yōu)化了曝光參數(shù)、光吸收劑含量（最優(yōu)比為1%）、單體濃度和PEGDA:AAm (PA)比例（比例分別為2%、5%和10%），得到可以在水環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異結構完整性和尺寸完整性的體外模型構建支架材料（圖2D-I）。細胞實驗顯示I型膠原蛋白表面處理后軟質和硬質PA水凝膠均具有出色的生物相容性（圖2J-L），可以作為支持細胞生長的基質材料具有巨大的潛力。

圖2 水凝膠生物墨水的物理特性、印刷適性和細胞活力

為了展示DLP生物打印在制造具有可灌注網絡的充滿細胞的水凝膠結構方面的潛力，研究者創(chuàng)建了具有直通道和氣管樣通道的微流控芯片。為了驗證結構內空心通道的成功打印，研究者將呈現(xiàn)藍色熒光的NIH-3T3細胞注入這些通道中（圖3A）。文章展示了兩種不同的具有嵌入式中空結構的水凝膠結構的成功構建（圖3B，E）。使用共聚焦顯微鏡可以觀察到混合到生物墨水中的Hela-GFP細胞均勻分布在整個水凝膠中，而灌注的NIH-3T3細胞填充了中空通道，它們的藍色熒光清晰地勾勒出這些嵌入的微通道。綠色熒光Hela-GFP細胞和藍色熒光NIH-3T3細胞之間的明顯區(qū)別，每個細胞都局限于特定區(qū)域（圖3C、D、F、G），證明了構建體的高保真度。

水凝膠結構的表面拓撲在影響細胞行為方面起著至關重要的作用，因此創(chuàng)建具有特定表面拓撲微觀結構的水凝膠結構非常重要（圖3H）。為了評估這些表面拓撲微結構對細胞行為的影響，研究者設計了兩種類型：螺旋槽微結構和基于三周期最小表面（TPMS）的微結構。螺旋槽微結構對于引導平滑肌細胞和間充質干細胞等細胞的方向特別有效。另一方面，TPMS以其重復、有組織的模式而聞名，可提供無中斷的連續(xù)表面（圖3I-P）。

圖3 具有可灌注網絡和工程表面形貌的載有細胞的水凝膠結構

復制肝小葉、皮膚和軟骨等組織和器官固有的各種機械模量是組織工程中的一個挑戰(zhàn)。研究者使用多材料DLP技術和多功能PA生物墨水，將具有不同機械特性的組件穩(wěn)健地組裝成單個體外模型。一個簡單的例子是PA1和PA2水凝膠的集成，其中它們界面上的粘合是通過間隙空間中存在的未固化PA生物墨水的固化來實現(xiàn)的（圖4A）。將兩種尺寸相同但配方不同的水凝膠組合在一起可產生具有中等且平衡的機械性能的水凝膠（圖4B）。一個更復雜的示例涉及在同一平面上以預先設計的圖案打印PA1和PA3生物墨水并允許它們互連，PA1水凝膠有效地支持了PA3水凝膠的拉伸，并且它們的界面沒有出現(xiàn)任何破裂或分離（圖4C）。

為了證明多材料DLP在制造生物相關異質組織模型方面的能力，研究者開發(fā)了一個簡化的肝小葉模型（圖4D），利用藍色PA1和紅色PA3生物墨水分別代表肝竇和肝板。打印后捕獲的光學圖像清楚地定義了藍色和紅色水凝膠之間的邊界，它們具有不同的機械模量（圖4E）。此外，熒光顯微鏡顯示NIH-3T3和Hela-GFP細胞均勻分布在其指定的水凝膠區(qū)域內（圖4F），有效地實現(xiàn)了多材料結構內多種細胞類型的區(qū)域特異性封裝。多組分模型的成功創(chuàng)建說明了該方法在研究水凝膠材料內細胞相互作用的潛力。此外，研究者還將異質性的探索擴展到了Z軸，證明了沿z軸構建異質結構的可行性（圖4G-M）。

圖4 充滿細胞的多材料異質水凝膠結構

綜上，本文演示了充滿細胞的水凝膠微流體裝置的制造，并探索表面拓撲（包括螺旋槽和三周期最小表面）如何指導細胞行為。這種方法為體外復制組織和器官結構開辟了新途徑。復合水凝膠和雙網絡水凝膠的進步及其通過多材料DLP生物打印實現(xiàn)的精確結構復制能力的整合，可以在精確模擬骨組織的結構復雜性和機械行為方面取得重大進展。除了作為體外模型的應用之外，本研究還擴展了對血管組織工程和再生醫(yī)學的見解，特別強調了這些生物打印材料用作植入物的前景。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202316456