微凝膠雙相墨水buff加成，破局可灌注血管網(wǎng)絡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，生物3D打印技術因其能夠精確地逐層沉積負載細胞的水凝膠得到了廣泛關注，但同時復制特定器官的外部幾何結構及其內(nèi)部結構(如血管)的能力仍然是最大的障礙之一。

近日，清華大學機械系生物制造中心熊卓團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)絡的心室模型，相關工作以題為“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，在改變復雜組織工程范式，加速工程組織生物醫(yī)學應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)的細胞在進行分化后能夠產(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色墨水，沒有泄漏，表明所有方向上的細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)拉伸進一步評價了式打印結構的力學性能，結構可承受約40%的應變并彈性恢復，從而驗證了打印層之間機械融合的穩(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)建可灌注的組織結構。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，用藍墨水進一步灌注所得通道，以證明其可灌注性。此外，研究人員還將高密度（4×107個細胞/ml）的HepG 2細胞包封在GelMA微凝膠中,進一步制備了負載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構，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計，多個結構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 螺旋絲管狀結構打印

為了充分開發(fā)該策略下的打印潛力，該團隊還借鑒了相互樹吸引算法設計了樹狀血管網(wǎng)絡，使用新生大鼠心室心肌細胞（NRVCs）制備了負載心肌細胞的MB生物墨水，進一步評估了具有可灌注血管網(wǎng)絡的縮放心室結構的可行性，結果表明打印的血管網(wǎng)絡極大地促進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)學應用（如器官打?。┲械目尚行院蛯嵱眯?。

圖6 具有可灌注心室結構打印

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