3D 生物打印組織特異性高細胞密度生物墨水，實現(xiàn)多相組織生物制造

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)憑借能夠制造復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢備受關(guān)注。其中，高細胞密度生物墨水因能模擬天然組織微環(huán)境，在構(gòu)建功能性組織方面展現(xiàn)出潛力，它通常由天然聚合物與大量細胞混合制備，為細胞提供支持環(huán)境。  

然而，當(dāng)前該技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，生物材料在高細胞密度生物墨水中存在干擾細胞間直接接觸、與新組織形成不同步降解等問題；另一方面，現(xiàn)有的僅由細胞組成的生物墨水難以長時間支撐3D打印結(jié)構(gòu)，或存在打印分辨率低、前期培養(yǎng)時間長、設(shè)備昂貴等弊端，且缺乏能制造和培養(yǎng)高分辨率單細胞組織的技術(shù)。  

來自美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的Oju Jeon和Eben Alsberg教授團隊合作，提出一種創(chuàng)新策略來解決這些痛點。他們將組織特異性高細胞密度生物墨水3D打印到光交聯(lián)可降解水凝膠微顆粒支撐浴中，制備出新型生物制造組織。通過在生物墨水中加入負載生長因子的明膠微顆粒，不僅實現(xiàn)生長因子的持續(xù)釋放和精準(zhǔn)調(diào)控，還成功制備出多種組織特異性生物墨水，構(gòu)建出如骨軟骨組織等多相組織。相關(guān)工作以“Biofabrication of engineered tissues by 3D bioprinting of tissue specific high cell-density bioinks”為題發(fā)表在《Materials Today》上。

研究內(nèi)容
1. 通過制備組織特異性高細胞密度生物墨水并進行3D打印，研究其在光交聯(lián)藻酸鹽水凝膠微顆粒支撐浴中的打印性能、細胞分化及多相組織形成情況。結(jié)果表明，該生物墨水具有良好的流變學(xué)特性，打印的微絲具有高分辨率和形狀保真度，且在支撐浴中能實現(xiàn)細胞分化，成功構(gòu)建出多相骨軟骨組織。

圖1. 組織特異性高細胞密度生物墨水配方及在OMA微凝膠支撐浴中3D打印的示意圖。

2. 通過動態(tài)流變學(xué)測試、分辨率分析和細胞分化實驗，研究組織特異性高細胞密度生物墨水的流變學(xué)性質(zhì)、打印分辨率以及在不同條件下的細胞分化效果。結(jié)果顯示，該生物墨水具有剪切稀化、低剪切屈服應(yīng)力和自愈合特性，打印的構(gòu)建體形狀保真度高，經(jīng)誘導(dǎo)能有效分化形成軟骨或骨組織。

圖2. 組織特異性高細胞密度生物墨水的表征。

3. 通過3D打印和組織學(xué)染色等方法，研究基于單個細胞的組織特異性高細胞密度生物墨水打印構(gòu)建體的分辨率、形狀保真度及軟骨形成能力。結(jié)果表明，打印的微絲直徑分布窄，構(gòu)建體形狀保真度高，在轉(zhuǎn)化生長因子-β1的作用下，能成功分化形成軟骨組織，與陽性對照組效果相似。

圖3. 3D打印構(gòu)建體的分辨率、形狀保真度和軟骨分化的表征。

4. 通過交替打印成骨和軟骨生物墨水構(gòu)建管狀結(jié)構(gòu)，并進行組織學(xué)染色和成分分析，研究多相組織的形成情況。結(jié)果顯示，成功構(gòu)建出由軟骨和骨組織組成的多相骨軟骨組織，且各組織區(qū)域的成分和功能符合預(yù)期，證明了利用該生物墨水構(gòu)建多相組織的可行性。

圖4. 3D打印多細胞表型管及骨軟骨組織構(gòu)建體的相關(guān)檢測。

5. 通過3D打印基于細胞聚集體的生物墨水并進行軟骨分化實驗，研究該生物墨水的打印性能和軟骨形成能力。結(jié)果表明，該生物墨水打印的結(jié)構(gòu)具有高分辨率和形狀保真度，經(jīng)軟骨分化后能形成軟骨組織，與陽性對照組無顯著差異，驗證了其在組織工程中的應(yīng)用潛力。

圖5. 3D打印基于聚集體的生物墨水的相關(guān)檢測。

研究結(jié)論
本研究表明，天然組織和器官由多種細胞類型與細胞外基質(zhì)按特定空間模式整合而成，多種生化和物理信號的時空呈現(xiàn)對細胞分化和成熟意義重大。本研究的組織特異性生物墨水系統(tǒng)，在探究生物活性信號空間呈現(xiàn)的作用方面潛力巨大。通過3D打印多種組織特異性高細胞密度生物墨水，可精確控制復(fù)雜多組織結(jié)構(gòu)的形成。值得一提的是，該3D打印平臺首次實現(xiàn)了在高細胞密度生物墨水中對組織特異性生長因子的空間呈現(xiàn)，能精準(zhǔn)調(diào)控細胞功能，誘導(dǎo)干細胞分化形成多細胞表型和多相組織，且形狀保真度高。這為利用高細胞密度生物墨水精確構(gòu)建復(fù)雜多相組織開辟了新路徑，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，如用于患者特異性組織修復(fù)、疾病建模平臺開發(fā)和高通量藥物篩選等。后續(xù)研究將聚焦于優(yōu)化打印參數(shù)、促進構(gòu)建體成熟及實現(xiàn)血管化，提升打印組織的功能和轉(zhuǎn)化潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.03.021