基于多材料打印的三維血管化肝臟組織模型

來源：EngineeringForLife  

血管幾乎遍及人體所有組織,，對人體病理生理有重要影響,。然而,，目前對于多尺度血管的生物制造仍然面臨很多問題,。來自中國科學(xué)院動物所顧奇研究員聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動化研究所鄭雄飛研究員以及中國科學(xué)院化學(xué)研究所王樹研究院團隊利用定制的打印機,，開發(fā)了一種多材料打印制備血管化組織的方法，在藥物篩選以及肝組織工程中有著巨大的應(yīng)用前景,。相關(guān)論文“3D Liver Tissue Model with Branched Vascular Networks by Multimaterial Bioprinting”發(fā)表于雜志Advanced Healthcare Materials上,。

圖1 多材料生物打印策略的示意圖

為了將GelMA的最佳打印性能和纖維蛋白的血管生成性能結(jié)合起來，研究者使用了由GelMA和纖維蛋白混合物組成的載細胞墨水,。SEM圖像顯示,，隨著GelMA濃度的降低，連通孔隙的平均尺寸增大,，并且纖維蛋白添加后,，孔的平均尺寸減小。多孔結(jié)構(gòu)可促進營養(yǎng)物質(zhì)擴散,，提高細胞存活率,。為了評估墨水的生物相容性，將含有不同熒光的細胞共同包被在GF基質(zhì)中,，并使用共聚焦顯微鏡定量毛細血管樣網(wǎng)絡(luò)形成的程度,。結(jié)果表明，水凝膠中形成了毛細管樣結(jié)構(gòu),。3% GelMA + 0.25% 纖維蛋白（3GF）中形成的毛細血管樣結(jié)構(gòu)比3% GelMA（3G）或5% GelMA + 0.25% 纖維蛋白（5GF）中更豐富,、更長。因此,，在接下來的研究中，3GF被選擇作為載細胞墨水,。（圖2）

圖2 GF水凝膠的表征和毛細血管狀網(wǎng)絡(luò)的形成

墨水的粘度是影響打印過程的重要因素之一,。為此，研究者評估了在不同溫度條件下GelMA的粘度,。并且對粘度數(shù)據(jù)進行擬合,，建立了表征粘度-溫度-濃度的三維熱圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，3%GelMA在零度溫度以上,，能實現(xiàn)粘度可控的最低濃度。使用電驅(qū)動擠壓GelMA,，并調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)以保持生物墨水處于凝膠狀態(tài),。為了設(shè)計和制造血管化組織結(jié)構(gòu)，研究者設(shè)計并打印了幾種不同的結(jié)構(gòu)體來演示具有通道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定打印結(jié)構(gòu)體的形成,。（圖3）

圖3 3D打印血管結(jié)構(gòu)

為了為長期培養(yǎng)提供穩(wěn)定的灌注,，研究者制作了一個連續(xù)流灌注系統(tǒng)。將HUVEC和MSC作為單細胞,，用3GF包被打印并進行比較,，研究了灌注培養(yǎng)過程中單個細胞和多個細胞聚集的活力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，打印的細胞可隨著時間的推移而增殖,。接下來為了證明血管化組織的形成,，研究者使用HUVEC和HFF共培養(yǎng)聚集物進行打印，與3GF水凝膠培養(yǎng)3天后,，進行血管形成和管腔形成的形態(tài)學(xué)評估,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)打印出來的組織顯示多個細胞聚集，并形成毛細血管樣網(wǎng)絡(luò),。將HUVEC植入構(gòu)建的通道中,，經(jīng)過一夜的連續(xù)灌注培養(yǎng)后，細胞聚集,，仍可維持較高的細胞密度,。（圖4）

圖4 組織灌注培養(yǎng)和聚集打印在體外形成血管網(wǎng)

為了在體外構(gòu)建肝臟模型，研究者將HUVECs,、MSCs和HepG2聚集物封裝在水凝膠中,，觀察細胞的分布以及相關(guān)基因的表達。打印組織顯示HUVECs和MSCs形成毛細血管樣網(wǎng)絡(luò),，并出現(xiàn)多個細胞聚集,。通過PCR測定相關(guān)基因的表達，來評估該肝單元的功能,。最終選擇培養(yǎng)7天的肝組織進行進一步實驗,。將打印的組織植入小鼠腹膜下，選擇3GF水凝膠作為對照,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在移植后第7天肝組織出現(xiàn)新生血管,。最后研究者通過大鼠動脈血管移植，證明了這些組織可以直接用于手術(shù)吻合宿主血管,。（圖5）

圖5 血管化肝組織的制造

綜上所述,，本研究首次證明了可以使用低濃度的GelMA和纖維蛋白作為生物墨水，以擠壓為基礎(chǔ)打印血管化組織,。這種基于3D打印的方法使我們能夠在厘米級組織中構(gòu)建具有活性組織功能的血管網(wǎng)絡(luò),。此外，它為藥物篩選,、研究人體組織發(fā)育和疾病,，以及明確肝組織工程移植治療開辟了一條可行的途徑。

參考文獻

Xin Liu,Xinhuan Wang,， et al. 3D Liver Tissue Model with Branched Vascular Networks by Multimaterial Bioprinting. Advanced Healthcare Materials
https://doi.org/10.1002/adhm.202101405