微凝胶双相墨水buff加成，破局可灌注血管网络心室模型生物打印难题
时间:2024-07-01 09:10 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
| 在体外按需创造功能组织和器官是生物制造的主要目标，生物3D打印技术因其能够精确地逐层沉积负载细胞的水凝胶得到了广泛关注，但同时复制特定器官的外部几何结构及其内部结构(如血管)的能力仍然是最大的障碍之一。 近日，清华大学机械系生物制造中心熊卓团队等基于基于微凝胶双相墨水（MB）具有的剪切稀化和自愈合特性，提出了一种逐级悬浮3D打印策略（SPIRIT），成功建立了具有可灌注自由形态血管网络的心室模型，相关工作以题为“Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks”于2023年2月16日发表在了Advanced Materials上，在改变复杂组织工程范式，加速工程组织生物医学应用上显示出了极大潜力。 
图1 打印原理
MB生物墨水由微凝胶和水凝胶前体组成。其中微凝胶通过流动聚焦微流控装置产生，大小约为215 μm，变异系数（CV）小于2.5%，表现出非常均匀的粒径分布。通过离心进一步去除它们之间的水性介质，与水凝胶前体混合后再次离心以除去多余的液体，重复该过程数次，得到MB生物墨水。MB生物墨水显示出优异的打印性能，其规则的长丝垂直延伸5厘米而不断裂。进一步将这种墨水用于iPSCs培养，探索了其生物相容性，培养的细胞在进行分化后能够产生类似心脏的跳动，证明了用于器官特异性组织生成的潜力。 
图2 MB制备及性能表征
作为代表性示例，研究人员进一步用这种墨水在Carbopol悬浮介质中打印了完整心脏、开放腔和支气管模型，打印的开放腔室充满蓝色墨水，没有泄漏，表明所有方向上的细丝之间存在紧密的互连性。MB生物墨水在3D打印后表现出超弹性，具有优异的循环压缩和拉伸耐久性，通过循环拉伸进一步评价了式打印结构的力学性能，结构可承受约40%的应变并弹性恢复，从而验证了打印层之间机械融合的稳健性。 
图3 打印性能展示
通过将牺牲墨水写入MB生物墨水，能够创建可灌注的组织结构。研究人员首先创建了具有用于灌注的单个入口和出口的定制形状的透明模具，用MB生物墨水填充作为悬浮介质，利用明胶为牺牲层墨水在其中打印了一个分叉通道，随后对MB生物油墨悬浮介质进行光交联，并通过升高温度至37℃去除牺牲明胶以生成通道，用蓝墨水进一步灌注所得通道，以证明其可灌注性。此外，研究人员还将高密度（4×107个细胞/ml）的HepG 2细胞包封在GelMA微凝胶中,进一步制备了负载HepG 2的MB生物墨水，并打印了肝组织内的可灌注通道。 
图4 MB生物墨水用作悬浮介质
基于上述策略，研究人员用5wt% GelMA MB生物墨水成功打印了嵌入螺旋丝的管状结构，在去除悬浮介质和牺牲墨水后，螺旋通道的尺寸接近打印设计，多个结构显示出非常相似的尺寸，CV小于2.5%，表明SPIRIT具有较高的保真度和重现性。 
图5 螺旋丝管状结构打印
为了充分开发该策略下的打印潜力，该团队还借鉴了相互树吸引算法设计了树状血管网络，使用新生大鼠心室心肌细胞（NRVCs）制备了负载心肌细胞的MB生物墨水，进一步评估了具有可灌注血管网络的缩放心室结构的可行性，结果表明打印的血管网络极大地促进了心室组织在体外培养过程中的生存力，证明了这种思路在生物医学应用（如器官打印）中的可行性和实用性。 
图6 具有可灌注心室结构打印
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