清華大學(xué)張婷,、熊卓團(tuán)隊(duì)：用于3D打印的載細(xì)胞微凝膠基雙相生物墨水

來(lái)源： EngineeringForLife

用于3D打印的生物墨水通常是具有適當(dāng)?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(mǎn)足高形狀保真度和理想微環(huán)境的要求。來(lái)自清華大學(xué)的張婷副研究員和熊卓副教授團(tuán)隊(duì)合作,，開(kāi)發(fā)了一種載細(xì)胞的微凝膠雙相生物墨水（MB）,，在組織工程和軟機(jī)器人等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

相關(guān)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(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);(2)水凝膠前驅(qū)體作為連續(xù)相滲透到空隙中,，在微凝膠之間形成第二個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò),。首先研究者以GelMA為載體，發(fā)現(xiàn)MB生物墨水在3D打印過(guò)程中表現(xiàn)出良好的擠出和結(jié)構(gòu)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(mǎn)足細(xì)胞的增殖和擴(kuò)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(xì)胞密度制備細(xì)胞負(fù)載微凝膠。（圖1）

圖1 細(xì)胞負(fù)載MB生物油墨的制備與3D打印

生物墨水的流變性對(duì)擠出式生物打印至關(guān)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(yù)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(wú)關(guān)。研究者使用海藻酸鈉和GelMA作為墨水的前驅(qū)體發(fā)現(xiàn),，擠出打印所需的流變特性依賴(lài)于微凝膠的緊密堆積狀態(tài),，而與微凝膠和第二網(wǎng)絡(luò)的組成無(wú)關(guān)。

圖2 MB生物墨水的流變性及組成的多樣性

接下來(lái)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(guò)405nm燈后交聯(lián)進(jìn)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(fù)雜的人體器官仿生結(jié)構(gòu)。（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(xué)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(duì)于MB生物墨水來(lái)說(shuō),，微凝膠在壓縮條件下被進(jìn)一步限制在第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi),，因此與JM生物墨水相比具有相對(duì)較高的彈性模量。MB生物墨水具有非凡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和循環(huán)性能,。（圖4）

圖4 MB生物油墨打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(zhǎng),，通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞組裝形成隨機(jī)的管狀血管結(jié)構(gòu),，覆蓋在HepG2微凝膠表面。MB生物墨水中有一個(gè)相對(duì)成熟的肝細(xì)胞基因和蛋白表達(dá)譜,，能夠增強(qiáng)肝功能和肝臟特異性基因和蛋白的表達(dá),。（圖5-6）

圖5 三維打印血管化肝組織構(gòu)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(dá)水平的評(píng)價(jià)

綜上所述，這種微凝膠基雙相MB生物墨水的設(shè)計(jì)靈活,，具有機(jī)械可調(diào)性,、超彈性和異構(gòu)微環(huán)境，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(如組織工程和軟機(jī)器人技術(shù))中的3D生物打印開(kāi)辟了新的可能性,。

文章來(lái)源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810