生物3D打印帶介觀孔隙結構的大尺寸體外組織

來源： EngineeringForLife

水凝膠固有的致密微觀孔隙網(wǎng)絡,，營養(yǎng)/氧氣供應能力有限,，需額外引入營養(yǎng)輸送網(wǎng)絡以提高營養(yǎng)輸送效率,，滿足細胞生長發(fā)育的需求,。目前常見的帶宏觀孔隙的水凝膠結構打印,，即宏觀孔隙網(wǎng)絡（≥1mm）結構打印,，由于水凝膠強度比較低,，打印大孔隙結構時宏觀多孔結構易坍塌，導致大尺寸組織打印后內(nèi)部營養(yǎng)不良,。本研究中,，我們繼續(xù)推進大尺寸組織的體外構建，提出在水凝膠材料內(nèi)構造介觀尺度孔隙概念,，孔隙范圍100 μm-1 mm,，介觀孔隙可同時發(fā)揮營養(yǎng)/氧氣供應和強度支撐作用，能兼顧生物性能和可打印性的要求（圖1）,。

圖1A) 多尺度孔隙在組織工程中的功能 B) 目前采用的致密水凝膠網(wǎng)絡用于結構支撐,；期望的是兼顧結構支撐和營養(yǎng)輸送的介觀尺度孔隙網(wǎng)絡

我們設計了載犧牲微明膠生物墨水，實現(xiàn)了介觀孔隙網(wǎng)絡活性結構的高效打印,。結構具有高保真度的同時,，保持了較高的生物活性，細胞可在介觀孔隙網(wǎng)絡結構內(nèi)發(fā)生類體內(nèi)生長行為,，如伸展,、遷移,、連接及組織新生等。

載犧牲微明膠生物墨水具體制備過程分三步（圖2）,，i)將明膠溶液通過低溫冷卻完全凝膠化,；ii) 通過打印用的噴頭,，將低溫凝膠化的明膠平穩(wěn)勻速的擠碎成微明膠顆粒,，擠碎的同時直接擠至載有相應細胞的GelMA生物墨水，隨后混合均勻,；iii)將載有犧牲微明膠和細胞的GelMA生物墨水裝入打印用的注射器,，并冷卻成可打印的預凝膠化生物墨水。值得注意的是,，在冷卻制備可打印的預凝膠化生物墨水過程中,，裝墨水的注射器要每隔20秒翻轉(zhuǎn)一次，以確保細胞和犧牲微明膠混合均勻,。

圖2 載微明膠GelMA預凝膠化生物墨水制備過程

利用載犧牲微明膠生物墨水,，可實現(xiàn)介孔營養(yǎng)網(wǎng)絡結構打印（圖3）,。

圖3 打印的介觀孔隙網(wǎng)絡結構

通過調(diào)整不同擠出噴頭制備不同尺寸的微明膠,，可以實現(xiàn)具有不同尺寸孔隙結構的打印。此外,，調(diào)整預凝膠生物墨水中的微明膠比例,，可以實現(xiàn)不同孔隙率結構打印。（圖4）

圖4 不同孔隙尺寸,，不同孔隙率結構的打印

此外,，由于犧牲微明膠和GelMA相互協(xié)同工作，增強了整個生物墨水體系的可打印性,，能夠容易的實現(xiàn)復雜結構的打印,，圖5,6所示。

圖5 二維復雜介觀孔隙網(wǎng)絡結構打印

圖6 三維復雜介觀孔隙網(wǎng)絡結構打印

為了模擬生物體內(nèi)細胞或細胞外基質(zhì)組成多樣性,，我們還模擬制造了多細胞或多材料組織結構,。如圖7所示，采用多合一噴頭裝置,，可以切換多種載細胞材料進行打印,。打印時，選擇性的通入目標載細胞材料,，可以打印出多組分介觀孔隙網(wǎng)絡結構,。

圖7 多組分介觀孔隙網(wǎng)絡結構打印

為了驗證介觀孔隙網(wǎng)絡能有效的傳輸營養(yǎng)/氧氣，促進細胞存活及組織的再生,，我們打印了載細胞的介觀孔隙網(wǎng)絡結構(10 mm × 10 mm × 10 mm),，并觀察結構體內(nèi)的細胞生長狀況，如圖8所示，細胞在介觀孔隙網(wǎng)絡結構內(nèi)逐漸伸展,、遷移并連接,，驗證了介觀孔隙網(wǎng)絡傳輸營養(yǎng)/氧氣的有效性。

圖8 細胞在多孔結構內(nèi)自由伸展,、遷移,、連接形成活性組織結構體

利用載犧牲微明膠生物墨水，直接打印高生物活性介觀孔隙網(wǎng)絡結構,，能有效的促進細胞存活及活性組織形成,。犧牲微凝膠可通過自適應的制造方式制備，微凝膠尺寸高度可控,，打印時不會堵塞噴頭,，同時打印結構的孔隙尺寸、孔隙率等均可控,。同時,，由于犧牲微凝膠與載細胞墨水協(xié)同相互作用，增強了整個墨水體系的可打印性,，利于結構的高效打印,。此外，我們設計的多合一噴頭用于打印多材料異質(zhì)結構,，使復雜異質(zhì)組織結構的制造成為可能,。

相關論文“Sacrificial microgel‑laden bioink‑enabled 3Dbioprinting of mesoscale pore networks”近日刊登在Bio-Design and Manufacturing雜志上。第一作者為邵磊博士生,，通訊作者為賀永教授,，浙二醫(yī)院的劉震杰醫(yī)生，高慶博士為共同通訊,。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42242-020-00062-y