一種空氣輔助同軸噴射的高通量微凝膠生物制造方法

供稿人：梁拓、高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單快速的方法，無(wú)需任何復(fù)雜或昂貴的耗材和配件，可用于細(xì)胞治療、組織再生和3D生物打印應(yīng)用的可擴(kuò)展高通量微凝膠制造。我們利用空氣輔助同軸裝置（ACAD）來(lái)生產(chǎn)含有細(xì)胞或無(wú)細(xì)胞的微凝膠。設(shè)備設(shè)置具有兩個(gè)同心布置的獨(dú)立噴嘴，聚合物溶液和空氣通過(guò)這些噴嘴流動(dòng)。為了證明該工藝的多功能性，團(tuán)隊(duì)制造了多種材料的微凝膠及其組合，包括海藻酸鹽（Alg），GelMA（GelMA）和海藻酸鹽-GelMA（Alg-GelMA）微凝膠。之后團(tuán)隊(duì)對(duì)形成的微凝膠進(jìn)行了多種應(yīng)用的測(cè)試，包括它們?cè)诩?xì)胞封裝、生物打印（作為直接擠出的生物墨水或作為嵌入式生物打印的支撐浴）和支架中的應(yīng)用。

（A）實(shí)驗(yàn)裝置，包括連接到氣流的氣泵的同軸噴嘴和用于水凝膠流的注射泵（B）使用ACAD器件進(jìn)行Alg，GelMA和Alg-GelMA凝膠生產(chǎn)微凝膠示意圖

圖1 微凝膠的高通量制造設(shè)備

團(tuán)隊(duì)使用ACAD平臺(tái)成功制備了Alg，GelMA和Alg-GelMA的球形微凝膠。將前體聚合物溶液在40、60、100和180 kPa的不同壓力水平下擠出，并分析了微凝膠的尺寸和形狀。使用上述壓力水平制備的海藻酸鹽、GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠的明場(chǎng)圖像如圖2（A）所示。微凝膠呈球形形貌，彼此分離，無(wú)可見(jiàn)團(tuán)聚。通過(guò)量化微凝膠的生產(chǎn)率來(lái)評(píng)估ACAD平臺(tái)的有效性。與海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelMA微凝膠相比，GelMA微凝膠的生產(chǎn)率顯著更高，如圖2（B）。海藻酸鹽、GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠的圓度分布范圍分別為0.2至1、0.5至1和0.2至1。然而，根據(jù)范圍的不同，GelMA的圓度被確定為明顯高于海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelM。總體而言，大多數(shù)Alg和GelMA微凝膠表現(xiàn)出～1的圓度，即完美的圓形，如圖2（C）。

（A）海藻酸鹽，GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠在不同氣壓水平下的顯微圖像 （B）微凝膠生產(chǎn)率 （C）對(duì)生成的微凝膠的圓度進(jìn)行定量評(píng)估

圖2 無(wú)細(xì)胞微凝膠的形態(tài)學(xué)評(píng)估和物理表征

為了舉例說(shuō)明制造微凝膠的實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)展示了三種不同的應(yīng)用，包括細(xì)胞包封，生物打印（微凝膠的直接擠出及其用作支撐浴）和支架。

在第一個(gè)應(yīng)用中，團(tuán)隊(duì)演示了細(xì)胞包封。將GFP MDA-MB-231細(xì)胞與母離子聚合物溶液結(jié)合后，生產(chǎn)細(xì)胞包封的微凝膠，如圖3（A）所示。發(fā)現(xiàn)所有三種微凝膠類(lèi)型中MDA-MB-231細(xì)胞在微凝膠中的包封效率約為75%。此外，使用另一種細(xì)胞類(lèi)型HDFs也證實(shí)了微凝膠的生物相容性和所提出的策略的可行性。

在第二個(gè)應(yīng)用中，微凝膠被用作基于擠出的生物打印的生物墨水和支撐浴。根據(jù)流變特性和初步擠出測(cè)試，僅將GelMA微凝膠進(jìn)一步評(píng)估為可打印的生物墨水，因?yàn)閱为?dú)的海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelMA微凝膠不可擠出，因?yàn)樗鼈冿@示出水相分離，不會(huì)形成細(xì)絲，并導(dǎo)致噴嘴堵塞。懸掛長(zhǎng)絲測(cè)試表明，GelMA微凝膠具有形成細(xì)絲的能力，這是生物打印所必需的，如圖3（B）所示。此外，將塊狀GelMA添加到GelMA微凝膠中顯著增加了懸掛長(zhǎng)絲的最大長(zhǎng)度，從而增加了用于擠出的生物墨水的穩(wěn)健性。

（A）細(xì)胞封裝 （B）生物墨水的長(zhǎng)絲長(zhǎng)度、熔融和可印刷性測(cè)試 （C）GelMA微凝膠包封的GFP MDA-MB-231細(xì)胞3D生物打印

圖3 微凝膠的實(shí)用性測(cè)試

此外，所提出的方法能夠制造3D復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。將MDA-MB-231細(xì)胞封裝在GelMA微凝膠中，然后將其加入GelMA主體中，所得生物墨水用于海藻酸鹽微凝膠作為支撐浴的三冠結(jié)構(gòu)的3D生物打印（圖3（C））。生物打印的冠狀結(jié)構(gòu)顯示出高保真度，即使在去除藻類(lèi)微凝膠后，中空結(jié)構(gòu)也能保持其完整性而不會(huì)塌陷，這表明生物打印結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：
Pal V, Singh YP, Gupta D, Alioglu MA, Nagamine M, Kim MH, Ozbolat IT. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications. Biofabrication. 2023. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications - IOPscience