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)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打�,。┓謺�

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種簡單快速的方法,，無需任何復(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）來生產(chǎn)含有細(xì)胞或無細(xì)胞的微凝膠,。設(shè)備設(shè)置具有兩個同心布置的獨(dú)立噴嘴，聚合物溶液和空氣通過這些噴嘴流動,。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)對形成的微凝膠進(jìn)行了多種應(yīng)用的測試，包括它們在細(xì)胞封裝,、生物打�,。ㄗ鳛橹苯訑D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微凝膠的明場圖像如圖2（A）所示,。微凝膠呈球形形貌,，彼此分離，無可見團(tuán)聚,。通過量化微凝膠的生產(chǎn)率來評估ACAD平臺的有效性,。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）對生成的微凝膠的圓度進(jìn)行定量評估

圖2 無細(xì)胞微凝膠的形態(tài)學(xué)評估和物理表征

為了舉例說明制造微凝膠的實(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�,。┖椭Ъ�,。

在第一個應(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試,，僅將GelMA微凝膠進(jìn)一步評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，不會形成細(xì)絲,，并導(dǎo)致噴嘴堵塞,。懸掛長絲測試表明，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絲的最大長度,，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）生物墨水的長絲長度,、熔融和可印刷性測試 （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�,。▓D3（C））,。生物打印的冠狀結(jié)構(gòu)顯示出高保真度，即使在去除藻類微凝膠后,，中空結(jié)構(gòu)也能保持其完整性而不會塌陷,，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