清華大學張婷,、熊卓團隊：用于3D打印的載細胞微凝膠基雙相生物墨水

來源： EngineeringForLife

用于3D打印的生物墨水通常是具有適當?shù)牧髯冃蕴匦缘�,，這也是3D打印材料選擇的最重要因素,。此外,，墨水還需要滿足高形狀保真度和理想微環(huán)境的要求,。來自清華大學的張婷副研究員和熊卓副教授團隊合作,，開發(fā)了一種載細胞的微凝膠雙相生物墨水（MB）,，在組織工程和軟機器人等生物醫(yī)學領域有著巨大的應用前景。

相關論文“3D Printing of Cell-Laden Microgel-Based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications”發(fā)表于雜志Advanced Functional Materials上,。

與傳統(tǒng)的生物墨水相比,，該生物墨水由兩部分組成:(1)密排狀態(tài)下的微凝膠為離散相，形成生物墨水的第一個網(wǎng)狀結構;(2)水凝膠前驅體作為連續(xù)相滲透到空隙中,，在微凝膠之間形成第二個聚合物網(wǎng)絡,。首先研究者以GelMA為載體,，發(fā)現(xiàn)MB生物墨水在3D打印過程中表現(xiàn)出良好的擠出和結構穩(wěn)定性，可以顯示出明顯的兩相,，并且該墨水形成的凝膠能夠滿足細胞的增殖和擴散,。這種方法具有很大的通用性，允許從多種材料,、各種尺寸和細胞密度制備細胞負載微凝膠,。（圖1）

圖1 細胞負載MB生物油墨的制備與3D打印

生物墨水的流變性對擠出式生物打印至關重要。研究者比較了MB生物墨水與本體水凝膠和傳統(tǒng)的微凝膠基（JM）生物墨水的流變性能,。如預期的那樣,，在室溫下，隨著剪切速率的增加,，所有墨水粘度降低,，并且微凝膠組分的添加增加了MB生物墨水的粘度。與傳統(tǒng)的GelMA水凝膠墨水相比,，MB生物墨水的粘度與溫度無關,。研究者使用海藻酸鈉和GelMA作為墨水的前驅體發(fā)現(xiàn)，擠出打印所需的流變特性依賴于微凝膠的緊密堆積狀態(tài),，而與微凝膠和第二網(wǎng)絡的組成無關,。

圖2 MB生物墨水的流變性及組成的多樣性

接下來研究者研究了MB生物墨水的可打印性，發(fā)現(xiàn)由于阻力較小,，微凝膠被間隙水凝膠前體均勻擠出,，通過405nm燈后交聯(lián)進一步穩(wěn)定，相鄰層間有良好的互聯(lián)性,。并且該生物墨水能夠打印出各種復雜的人體器官仿生結構,。（圖3）

圖3 使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度

然后研究者比較了不同墨水的力學性能，與GelMA本體水凝膠相比,，MB生物墨水和JM生物墨水表現(xiàn)出更大的彈性,，此外，對于MB生物墨水來說,，微凝膠在壓縮條件下被進一步限制在第二個網(wǎng)絡內(nèi),，因此與JM生物墨水相比具有相對較高的彈性模量。MB生物墨水具有非凡的結構穩(wěn)健性和循環(huán)性能,。（圖4）

圖4 MB生物油墨打印結構的力學表征

研究者將HepG2和HUVEC分別封裝在MB生物墨水的微凝膠和水凝膠前體中打印肝組織,。發(fā)現(xiàn)HUVEC主要存在于MB生物墨水組的微凝膠間區(qū)域。與純水凝膠生物墨水相比,，MB生物墨水組的HUVEC在第3和第7天表現(xiàn)出更高的增殖率,，且形態(tài)延長，通過內(nèi)皮細胞組裝形成隨機的管狀血管結構,，覆蓋在HepG2微凝膠表面,。MB生物墨水中有一個相對成熟的肝細胞基因和蛋白表達譜,，能夠增強肝功能和肝臟特異性基因和蛋白的表達。（圖5-6）

圖5 三維打印血管化肝組織構建可調(diào)異質(zhì)微環(huán)境

圖6 肝功能及肝特異性基因和蛋白表達水平的評價

綜上所述,，這種微凝膠基雙相MB生物墨水的設計靈活,，具有機械可調(diào)性、超彈性和異構微環(huán)境,，為生物醫(yī)學應用(如組織工程和軟機器人技術)中的3D生物打印開辟了新的可能性。

文章來源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810