水凝膠犧牲模板法結(jié)合3D打印定制具有通道網(wǎng)絡(luò)的支架材料

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

基于水凝膠的3D打印是一種精確制造復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)的快速方法,。然而，生物活性水凝膠的機(jī)械性能較弱,，在直接打印過(guò)程中,，這些具有通道網(wǎng)絡(luò)的水凝膠結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定。因此,，要制造具有通道網(wǎng)絡(luò)的良好結(jié)構(gòu),，必須選擇合適的水凝膠并開發(fā)有針對(duì)性的制造方法�,；�于��,，來(lái)自寧波大學(xué)的金育安副教授聯(lián)合寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物工程研究所的邵磊教授開發(fā)了一種基于商用3D打印機(jī)和水溶性聚乙烯醇(PVA)構(gòu)建有效水凝膠通道網(wǎng)絡(luò)的模板犧牲3D打印方法。利用這種3D打印技術(shù)制備并培養(yǎng)了不同通道網(wǎng)絡(luò)密度的負(fù)載細(xì)胞的GelMA構(gòu)建體,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通道網(wǎng)絡(luò)密度越高,，細(xì)胞生長(zhǎng)越好，這表明相互連接的通道網(wǎng)絡(luò)加速了氧/營(yíng)養(yǎng)物的供應(yīng)，促進(jìn)了細(xì)胞生長(zhǎng),。相關(guān)研究成果以“3D printing sacrificial templates for manufacturing hydrogel constructs with channel networks”為題于2022年8月22日發(fā)表在《Materials & Design》上,。

圖1 水凝膠3D打印犧牲模板路線示意圖

具體來(lái)說(shuō)，首先使用3D打印機(jī)將PVA打印為犧牲模板,。然后澆鑄GelMA溶液以包封犧牲模板,，并進(jìn)行光致交聯(lián),。最后,，犧牲模板被溶解以形成通道網(wǎng)絡(luò)。作為犧牲材料,，PVA具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),，i)友好的溶解速率便于后期的澆鑄操作；ii) 印刷 PVA 細(xì)絲的高圓度導(dǎo)致通道網(wǎng)絡(luò)的高圓度,；iii) PVA犧牲模板具有高穩(wěn)定性和長(zhǎng)期保存性,，便于運(yùn)輸、流通和使用,。

1. 印刷速度和細(xì)絲/通道直徑之間的關(guān)系
由于通道直徑和通道密度對(duì)營(yíng)養(yǎng)物/氧氣傳輸有很大影響,，因此作者首先研究了印刷速度對(duì)PVA細(xì)絲/通道直徑的影響，以及PVA犧牲模板的填充速率,。實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了一個(gè)單層結(jié)構(gòu),，通過(guò)改變印刷速度來(lái)實(shí)現(xiàn)直徑梯度。從實(shí)際印刷中可以看出,，印刷的單層結(jié)構(gòu)具有明顯的直徑梯度,，相應(yīng)的通道也具有明顯的直徑梯度（圖2）。在溶解PVA犧牲模板的過(guò)程中,，PVA細(xì)絲會(huì)膨脹,，從而增加通道尺寸和整個(gè)結(jié)構(gòu)的營(yíng)養(yǎng)/氧氣滲透性。

圖2 印刷速度和細(xì)絲/通道直徑之間的關(guān)系

2. 具有不同通道網(wǎng)絡(luò)支架的營(yíng)養(yǎng)傳輸能力
通過(guò)改變PVA犧牲模板的填充率,，可以很容易地制備出具有不同通道網(wǎng)絡(luò)密度的水凝膠結(jié)構(gòu)（圖3a）,。同時(shí)，為了驗(yàn)證不同通道網(wǎng)絡(luò)的營(yíng)養(yǎng)傳輸能力,，在這些具有不同通道網(wǎng)絡(luò)密度的GelMA支架上進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)傳輸實(shí)驗(yàn),。具體來(lái)說(shuō)，我們將紅色染料注入支架的第一層,，觀察營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)和擴(kuò)散（圖3b）,。染料流動(dòng)和擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明，整個(gè)營(yíng)養(yǎng)物網(wǎng)絡(luò)是相互連接的,，營(yíng)養(yǎng)物擴(kuò)散能力隨著通道網(wǎng)絡(luò)密度的增加而增加,，這保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠得到營(yíng)養(yǎng)物/氧氣的充分供應(yīng)。

為了研究不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，為不同組織的制造提供強(qiáng)度參考,，進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)以表征不同通道網(wǎng)絡(luò)密度的結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能,。隨著通道網(wǎng)絡(luò)密度的增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降,，這些結(jié)構(gòu)的壓縮模量約為1.1 ~ 3.6 kPa,，可以滿足一些軟組織制造要求（圖3c-d）。

圖3 不同通道網(wǎng)絡(luò)支架的傳輸能力

3. 支架通道的保真度
為了觀察通道的保真度,，將結(jié)構(gòu)縱向切開,，然后在光學(xué)顯微鏡下對(duì)切片成像（圖4a）。通道的圓形保真度隨著填充率的增加而降低,。這是由兩個(gè)原因造成的:i)當(dāng)PVA細(xì)絲致密時(shí),，在溶解過(guò)程中細(xì)絲膨脹會(huì)導(dǎo)致通道變形，從而導(dǎo)致通道保真度低,；ii)當(dāng)通道非常密集時(shí),，構(gòu)造的機(jī)械性能較弱，將直接導(dǎo)致通道更容易受重力的影響而變形,。

隨著填充率的增加,，通道的保真度下降，當(dāng)填充率超過(guò)15%時(shí),，保真度急劇下降,。此外，犧牲模板的縱剖面顯示細(xì)絲具有較高的圓整度,，相鄰層的細(xì)絲相互連通,，為構(gòu)建連通的通道網(wǎng)絡(luò)提供了保證（圖4c）。溶解PVA模板后,，縱向截面圖像顯示相鄰層的通道相互連接以促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物/氧氣的輸送（圖4d）,。

圖4 支架通道的保真度

4. 用于構(gòu)建基于水凝膠的血管芯片
為了證明制造基于水凝膠的芯片的能力，作者制造了具有不同分布的單層通道結(jié)構(gòu)（圖5a）,。具體地,，澆注時(shí)，先在模具底部覆蓋一層37 ℃的GelMA溶液,，在4 ℃下冷卻5分鐘,，使其輕微熱交聯(lián)至微粘狀態(tài)。然后將單層犧牲結(jié)構(gòu)放置在輕微熱交聯(lián)的GelMA上,，并用液體GelMA溶液封裝,。最后，整個(gè)結(jié)構(gòu)光交聯(lián)15 s,，借助石蠟?zāi)�從模具中分離,，隨后浸入37 ℃的介質(zhì)中,。2小時(shí)后，大部分PVA細(xì)絲溶解,，剩余的PVA用PBS洗滌,。

圖5 用于構(gòu)建基于水凝膠的血管芯片的示意圖

為了驗(yàn)證我們的方法可以構(gòu)建自由形式的基于水凝膠的血管芯片，印刷不同形狀的PVA犧牲模板用于制造自由形式的通道圖案,，包括三角形,、四邊形、五角形,、六邊形等,。用染色的PBS溶液灌注證明了通道的可行性，表明其在制造自由形式通道圖案的策略在血管芯片上具有非�,？尚械膽�(yīng)用潛力,。

5. 通道網(wǎng)絡(luò)對(duì)細(xì)胞活性的影響
之后,，作者進(jìn)一步制造并培養(yǎng)了具有不同通道網(wǎng)絡(luò)密度的細(xì)胞負(fù)載構(gòu)建體,。如圖6所示，通道邊界清晰,，隨著進(jìn)一步培養(yǎng),，細(xì)胞逐漸拉伸連接形成網(wǎng)絡(luò)。通道網(wǎng)絡(luò)密度越高,，細(xì)胞間的連接越緊密,，表明營(yíng)養(yǎng)/氧輸送能力隨著通道密度的增加而增加。

圖6 通道網(wǎng)絡(luò)密度對(duì)細(xì)胞密度的影響

此外,，培養(yǎng)1天后,，使用鈣黃綠素(AM)和碘化丙錠(PI)通過(guò)活/死染色來(lái)評(píng)估細(xì)胞的存活力（圖7a）�,；�/死圖像表明細(xì)胞均勻地分布在建筑物中,，具有高的生存能力，證實(shí)了具有高通道網(wǎng)絡(luò)密度的結(jié)構(gòu)可以提供更充足的養(yǎng)分/氧氣,。為了有效評(píng)估通道網(wǎng)絡(luò)可促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移,，在培養(yǎng)一段時(shí)間(第3、7和10天)后,，對(duì)細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行表征和成像,，細(xì)胞逐漸擴(kuò)散并連接成網(wǎng)，同時(shí)逐漸向通道遷移(紅色箭頭所示)（圖7c）,。

圖7 細(xì)胞活力及其細(xì)胞形態(tài)

綜上,， 本文提出了一種基于3D打印機(jī)和PVA的犧牲模板技術(shù)來(lái)構(gòu)建有效的水凝膠通道網(wǎng)絡(luò)。商用PVA耗材是水溶性的,，溶解時(shí)間便于操作,，并且商業(yè)PVA細(xì)絲的高機(jī)械強(qiáng)度確保了復(fù)雜犧牲模板的構(gòu)造,。另外，PVA耗材穩(wěn)定性好,，可長(zhǎng)期保存,，便于犧牲模板的批量制造、運(yùn)輸,、流通和使用,。研究證明，利用模板犧牲的3D打印方法能夠制造出的具有通道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)支架,，可以促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散,、增殖和遷移，同時(shí)保持其高活性,。這種以PVA為犧牲耗材的支架構(gòu)造技術(shù)為三維細(xì)胞培養(yǎng)和高生物活性組織制造提供了一種實(shí)用的方法,。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111012