微凝膠雙相墨水buff加成,，破局可灌注血管網(wǎng)絡(luò)心室模型生物打印難題

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

在體外按需創(chuàng)造功能組織和器官是生物制造的主要目標(biāo),，生物3D打印技術(shù)因其能夠精確地逐層沉積負(fù)載細(xì)胞的水凝膠得到了廣泛關(guān)注,，但同時(shí)復(fù)制特定器官的外部幾何結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如血管)的能力仍然是最大的障礙之一,。

近日,，清華大學(xué)機(jī)械系生物制造中心熊卓團(tuán)隊(duì)等基于基于微凝膠雙相墨水（MB）具有的剪切稀化和自愈合特性,，提出了一種逐級(jí)懸浮3D打印策略（SPIRIT），成功建立了具有可灌注自由形態(tài)血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型,，相關(guān)工作以題為“Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks”于2023年2月16日發(fā)表在了Advanced Materials上,，在改變復(fù)雜組織工程范式，加速工程組織生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上顯示出了極大潛力,。

圖1 打印原理

MB生物墨水由微凝膠和水凝膠前體組成,。其中微凝膠通過(guò)流動(dòng)聚焦微流控裝置產(chǎn)生，大小約為215 μm,，變異系數(shù)（CV）小于2.5%,，表現(xiàn)出非常均勻的粒徑分布。通過(guò)離心進(jìn)一步去除它們之間的水性介質(zhì),，與水凝膠前體混合后再次離心以除去多余的液體,，重復(fù)該過(guò)程數(shù)次，得到MB生物墨水,。MB生物墨水顯示出優(yōu)異的打印性能,，其規(guī)則的長(zhǎng)絲垂直延伸5厘米而不斷裂。進(jìn)一步將這種墨水用于iPSCs培養(yǎng),，探索了其生物相容性,，培養(yǎng)的細(xì)胞在進(jìn)行分化后能夠產(chǎn)生類似心臟的跳動(dòng)，證明了用于器官特異性組織生成的潛力,。

圖2 MB制備及性能表征

作為代表性示例,，研究人員進(jìn)一步用這種墨水在Carbopol懸浮介質(zhì)中打印了完整心臟、開(kāi)放腔和支氣管模型,，打印的開(kāi)放腔室充滿藍(lán)色墨水,，沒(méi)有泄漏，表明所有方向上的細(xì)絲之間存在緊密的互連性,。MB生物墨水在3D打印后表現(xiàn)出超彈性,，具有優(yōu)異的循環(huán)壓縮和拉伸耐久性，通過(guò)循環(huán)拉伸進(jìn)一步評(píng)價(jià)了式打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,，結(jié)構(gòu)可承受約40%的應(yīng)變并彈性恢復(fù),，從而驗(yàn)證了打印層之間機(jī)械融合的穩(wěn)健性。

圖3 打印性能展示

通過(guò)將犧牲墨水寫(xiě)入MB生物墨水,，能夠創(chuàng)建可灌注的組織結(jié)構(gòu),。研究人員首先創(chuàng)建了具有用于灌注的單個(gè)入口和出口的定制形狀的透明模具,，用MB生物墨水填充作為懸浮介質(zhì)，利用明膠為犧牲層墨水在其中打印了一個(gè)分叉通道,，隨后對(duì)MB生物油墨懸浮介質(zhì)進(jìn)行光交聯(lián),，并通過(guò)升高溫度至37℃去除犧牲明膠以生成通道，用藍(lán)墨水進(jìn)一步灌注所得通道,，以證明其可灌注性,。此外，研究人員還將高密度（4×107個(gè)細(xì)胞/ml）的HepG 2細(xì)胞包封在GelMA微凝膠中,進(jìn)一步制備了負(fù)載HepG 2的MB生物墨水,，并打印了肝組織內(nèi)的可灌注通道,。

圖4 MB生物墨水用作懸浮介質(zhì)

基于上述策略，研究人員用5wt% GelMA MB生物墨水成功打印了嵌入螺旋絲的管狀結(jié)構(gòu),，在去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水后,，螺旋通道的尺寸接近打印設(shè)計(jì)，多個(gè)結(jié)構(gòu)顯示出非常相似的尺寸,，CV小于2.5%,，表明SPIRIT具有較高的保真度和重現(xiàn)性。

圖5 螺旋絲管狀結(jié)構(gòu)打印

為了充分開(kāi)發(fā)該策略下的打印潛力,，該團(tuán)隊(duì)還借鑒了相互樹(shù)吸引算法設(shè)計(jì)了樹(shù)狀血管網(wǎng)絡(luò),，使用新生大鼠心室心肌細(xì)胞（NRVCs）制備了負(fù)載心肌細(xì)胞的MB生物墨水，進(jìn)一步評(píng)估了具有可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的縮放心室結(jié)構(gòu)的可行性,，結(jié)果表明打印的血管網(wǎng)絡(luò)極大地促進(jìn)了心室組織在體外培養(yǎng)過(guò)程中的生存力，證明了這種思路在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（如器官打�,。┲械目尚行院蛯�(shí)用性,。

圖6 具有可灌注心室結(jié)構(gòu)打印

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/adma.202205082