基于雙光子3D打印技術(shù)構(gòu)建含三維軟質(zhì)微流道的可灌注大尺寸體外組織

供稿人：劉穎潔、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

工程化組織和類器官的血管化已經(jīng)成為了再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵未解決難題。雖然已經(jīng)有多種用于解決體外組織血管化問題的方法被提出，但其均無法形成充足且密集的微尺度血管網(wǎng)絡(luò)以灌注大型新生組織。為了構(gòu)建毛細(xì)血管尺度下的三維流道以實(shí)現(xiàn)對立方毫米尺度下組織結(jié)構(gòu)的灌注，比利時(shí)魯汶大學(xué)的Adrian Ranga團(tuán)隊(duì)基于水凝膠-雙光子3D打印技術(shù)精準(zhǔn)制造了微米尺度下的三維軟質(zhì)微流道，并進(jìn)一步構(gòu)建了大尺寸血管化生物芯片。

圖1 利用軟質(zhì)微流道實(shí)現(xiàn)生物芯片微血管化

如圖1a所示，集成后的3D打印生物芯片能同時(shí)培育8個(gè)多路復(fù)用的3D軟質(zhì)微流道毛細(xì)血管網(wǎng)格。單個(gè)毛細(xì)血管網(wǎng)格如圖1b所示，該網(wǎng)格使用非膨脹性光聚合水凝膠前體，通過高分辨率的雙光子立體光刻技術(shù)構(gòu)建，該打印技術(shù)能高重復(fù)地生產(chǎn)最小為10μm的特征結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過在大于100臺制造儀器上測試，證明該打印技術(shù)生產(chǎn)的毛細(xì)血管網(wǎng)格制造成功率大約為90%。圖1c展示了不同外徑（頂行）和壁厚（列）的圓柱體陣列，其單位為μm。圖1d為單個(gè)毛細(xì)血管網(wǎng)格的微流控CAD示意圖，其中軟質(zhì)微流道用紅色顯示，結(jié)構(gòu)組件用灰色顯示，流體基于毛細(xì)作用從底部結(jié)構(gòu)組件向微流道運(yùn)動(dòng)，并穿過流道壁面向外滲透。圖1e使用25μM的熒光素對毛細(xì)血管網(wǎng)格進(jìn)行灌注，在幾分鐘內(nèi)網(wǎng)格整體就能被熒光素充斥。圖1f顯示了毛細(xì)血管網(wǎng)格上的組織接種過程，通過移液槍將人多功能干細(xì)胞球體手動(dòng)分裝入網(wǎng)格之中。球體在芯片中培養(yǎng)24~36小時(shí)后，聚集形成了固體組織。上排圖像示意性地對下排圖像過程進(jìn)行了表征，球狀體和最終形成的固體組織用藍(lán)色表示。

圖2 三種培養(yǎng)方式下長期培養(yǎng)的腦皮層類器官（比例尺1mm）

分別在培養(yǎng)皿中（控制組）、非灌注毛細(xì)血管網(wǎng)格中和灌注毛細(xì)血管網(wǎng)格中對類器官進(jìn)行長時(shí)間培養(yǎng)，其培養(yǎng)過程中的明場影像如圖2所示。在控制組和非灌注組中，當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間達(dá)33天時(shí)，類器官基本停止發(fā)育；而在灌注組中，類器官發(fā)育情況良好且逐漸布滿了整個(gè)毛細(xì)血管網(wǎng)格。該結(jié)果證明灌注毛細(xì)血管網(wǎng)格有利于大尺寸體外組織模型的培養(yǎng)。

綜上，本文通過水凝膠-雙光子3D打印技術(shù)構(gòu)建了毛細(xì)血管網(wǎng)格，成功克服了體外工程化組織和類器官培養(yǎng)中面臨的組織灌注不足問題。在未來有望應(yīng)用于疾病模型構(gòu)建和藥物開發(fā)之中。

參考文獻(xiàn)：
Grebenyuk S, Fattah ARA, Kumar M, et al. Large-scale perfused tissues via synthetic 3D soft microfluidics[J]. Nature Communications, 2023, 14 (1).