3D打印的纖維/細胞/水凝膠復合結構

供稿人:雷奇 賀健康

在體外精準構建仿生組織對修復受損的器官具有重要意義，利用生物3D打印技術可實現(xiàn)細胞/水凝膠結構的三維成型，但由于水凝膠材料的限制，所構建的三維結構通常具有較差的力學性能，無法與人體組織的力學需求相匹配，一些研究人員通過澆灌的方法將水凝膠與靜電打印的纖維網(wǎng)格結構復合在一起，顯著提高了水凝膠的力學性能，然而這種方法無法實現(xiàn)復雜組織中多材料多細胞的精準構建。

為了精準構建結構穩(wěn)定的多細胞活性組織，Ruijter等[1]結合熔融靜電打印與細胞打印技術，成功打印出了具有一定力學強度、多種細胞精確排列的復合結構。圖1所示為纖維/水凝膠/細胞復合打印原理，首先利用熔融靜電打印工藝，使熔融的聚合物在電場力的作用下噴射出微米細絲，制備出纖維尺寸為13微米的網(wǎng)格，然后利用擠出式細胞打印工藝打印出所需的細胞和材料，所打印的細胞/水凝膠尺寸為200-400微米。圖2為利用復合工藝制備的多細胞分層復合結構，該工藝實現(xiàn)了二維平面內多種細胞的精確排布，以及三維結構中多細胞的分層排列。所制備的復合結構具有可控的孔隙率，從而有利于結構內部氧氣和營養(yǎng)物質的供給。力學測試結果表明，纖維增強的復合結構顯著提高了水凝膠的壓縮模量。研究進一步論證了，在不同的靜電打印電壓幅值下，復合結構中細胞活性保持在90%以上，在28天的培養(yǎng)過程中，復合結構中細胞保持良好的活性和分化能力。

圖1. 纖維/水凝膠/細胞復合打印工藝

圖2 多細胞復合結構

綜上所述，利用熔融靜電打印和細胞打印復合工藝可實現(xiàn)纖維和多種細胞的可控排布，所制備的纖維/細胞/水凝膠復合結構具有較好的力學強度、高孔隙率和高細胞活性，有利于復雜再生組織的長期培養(yǎng)，為仿生組織的體外構建提供了一種新方法。

參考文獻：
De Ruijter M, Ribeiro A, Dokter I, et al. Simultaneous Micropatterning of Fibrous Meshes and Bioinks for the Fabrication of Living Tissue Constructs [J]. Advanced healthcare materials, 2019, 8(7): 1800418.

供稿人:雷奇 賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室