微凝膠雙相墨水buff加成，破局可灌注血管網(wǎng)絡(luò)心室模型生物打印難題

來源： EFL生物3D打印與生物制造

在體外按需創(chuàng)造功能組織和器官是生物制造的主要目標(biāo)，生物3D打印技術(shù)因其能夠精確地逐層沉積負(fù)載細(xì)胞的水凝膠得到了廣泛關(guān)注，但同時復(fù)制特定器官的外部幾何結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如血管)的能力仍然是最大的障礙之一。

近日，清華大學(xué)機(jī)械系生物制造中心熊卓團(tuán)隊等基于基于微凝膠雙相墨水（MB）具有的剪切稀化和自愈合特性，提出了一種逐級懸浮3D打印策略（SPIRIT），成功建立了具有可灌注自由形態(tài)血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型，相關(guān)工作以題為“Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks”于2023年2月16日發(fā)表在了Advanced Materials上，在改變復(fù)雜組織工程范式，加速工程組織生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上顯示出了極大潛力。

圖1 打印原理

MB生物墨水由微凝膠和水凝膠前體組成。其中微凝膠通過流動聚焦微流控裝置產(chǎn)生，大小約為215 μm，變異系數(shù)（CV）小于2.5%，表現(xiàn)出非常均勻的粒徑分布。通過離心進(jìn)一步去除它們之間的水性介質(zhì)，與水凝膠前體混合后再次離心以除去多余的液體，重復(fù)該過程數(shù)次，得到MB生物墨水。MB生物墨水顯示出優(yōu)異的打印性能，其規(guī)則的長絲垂直延伸5厘米而不斷裂。進(jìn)一步將這種墨水用于iPSCs培養(yǎng)，探索了其生物相容性，培養(yǎng)的細(xì)胞在進(jìn)行分化后能夠產(chǎn)生類似心臟的跳動，證明了用于器官特異性組織生成的潛力。

圖2 MB制備及性能表征

作為代表性示例，研究人員進(jìn)一步用這種墨水在Carbopol懸浮介質(zhì)中打印了完整心臟、開放腔和支氣管模型，打印的開放腔室充滿藍(lán)色墨水，沒有泄漏，表明所有方向上的細(xì)絲之間存在緊密的互連性。MB生物墨水在3D打印后表現(xiàn)出超彈性，具有優(yōu)異的循環(huán)壓縮和拉伸耐久性，通過循環(huán)拉伸進(jìn)一步評價了式打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)可承受約40%的應(yīng)變并彈性恢復(fù)，從而驗證了打印層之間機(jī)械融合的穩(wěn)健性。

圖3 打印性能展示

通過將犧牲墨水寫入MB生物墨水，能夠創(chuàng)建可灌注的組織結(jié)構(gòu)。研究人員首先創(chuàng)建了具有用于灌注的單個入口和出口的定制形狀的透明模具，用MB生物墨水填充作為懸浮介質(zhì)，利用明膠為犧牲層墨水在其中打印了一個分叉通道，隨后對MB生物油墨懸浮介質(zhì)進(jìn)行光交聯(lián)，并通過升高溫度至37℃去除犧牲明膠以生成通道，用藍(lán)墨水進(jìn)一步灌注所得通道，以證明其可灌注性。此外，研究人員還將高密度（4×107個細(xì)胞/ml）的HepG 2細(xì)胞包封在GelMA微凝膠中,進(jìn)一步制備了負(fù)載HepG 2的MB生物墨水，并打印了肝組織內(nèi)的可灌注通道。

圖4 MB生物墨水用作懸浮介質(zhì)

基于上述策略，研究人員用5wt% GelMA MB生物墨水成功打印了嵌入螺旋絲的管狀結(jié)構(gòu)，在去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水后，螺旋通道的尺寸接近打印設(shè)計，多個結(jié)構(gòu)顯示出非常相似的尺寸，CV小于2.5%，表明SPIRIT具有較高的保真度和重現(xiàn)性。

圖5 螺旋絲管狀結(jié)構(gòu)打印

為了充分開發(fā)該策略下的打印潛力，該團(tuán)隊還借鑒了相互樹吸引算法設(shè)計了樹狀血管網(wǎng)絡(luò)，使用新生大鼠心室心肌細(xì)胞（NRVCs）制備了負(fù)載心肌細(xì)胞的MB生物墨水，進(jìn)一步評估了具有可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的縮放心室結(jié)構(gòu)的可行性，結(jié)果表明打印的血管網(wǎng)絡(luò)極大地促進(jìn)了心室組織在體外培養(yǎng)過程中的生存力，證明了這種思路在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（如器官打印）中的可行性和實用性。

圖6 具有可灌注心室結(jié)構(gòu)打印

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202205082