體素化生物3D打印技術(shù)為海藻酸鹽生物墨水增添“buff”加成

來(lái)源： EngineeringForLife

體素是三維空間中的最小單位,，類(lèi)似于二維圖像中的像素,。在體素化生物打印中,，體素可以是小的立方體或球形顆粒，它們是構(gòu)成三維生物結(jié)構(gòu)的基本元素,。

什么是體素化生物打印技術(shù)呢,？
體素化生物打印技術(shù)是一種先進(jìn)的制造方法，它使用三維空間中的體素（voxel）作為基本構(gòu)建單元來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu),。這種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程和組織工程中具有重要的應(yīng)用潛力,。

體素化生物打印技術(shù)如何增添“buff”加成,？
（1）精確控制：體素化生物打印技術(shù)允許對(duì)每個(gè)體素的位置和體積進(jìn)行精確控制，這有助于創(chuàng)建具有特定形狀和功能的復(fù)雜三維生物結(jié)構(gòu),。

（2）多材料打�,。涸摷夹g(shù)能夠處理多種材料，包括不同的生物墨水,，這些墨水可以是細(xì)胞,、生長(zhǎng)因子或其他生物分子的載體。

（3）數(shù)字組裝：體素化生物打印通常依賴(lài)于數(shù)字模型來(lái)指導(dǎo)打印過(guò)程,，這意味著可以從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型直接制造出三維生物結(jié)構(gòu),。

（4）生物制造：體素化生物打印技術(shù)是生物制造領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它允許創(chuàng)建用于組織工程的支架,、藥物遞送系統(tǒng)和生物假體等,。

體素化生物打印技術(shù)的發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性，特別是在個(gè)性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)方面,，例如通過(guò)創(chuàng)建個(gè)性化的組織替代品或用于藥物測(cè)試的復(fù)雜三維組織模型,。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)更多創(chuàng)新的生物打印應(yīng)用,。   

數(shù)字組裝球形粒子（DASP）技術(shù)是體素化生物打印的一個(gè)例子,，它通過(guò)在水凝膠中嵌入高粘彈性的水滴來(lái)創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)。弗吉尼亞大學(xué)蔡歷恒團(tuán)隊(duì)利用DASP 2.0技術(shù),，通過(guò)使用雙網(wǎng)絡(luò)（DN）結(jié)構(gòu)的生物墨水,，可以創(chuàng)建具有改進(jìn)機(jī)械性能和可調(diào)性的水凝膠，這對(duì)于模擬自然組織的特性至關(guān)重要,。

DASP 2.0技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)和合成帶有四氮唑（TZ）和降冰片烯（NB）基團(tuán)的PAM聚合物,，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需添加劑的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。研究者們系統(tǒng)研究了交聯(lián)動(dòng)力學(xué)和剛度對(duì)NB/TZ比例及聚合物濃度的依賴(lài)性,，并通過(guò)理論模型很好地描述了實(shí)驗(yàn)觀察到的行為。此外,，研究者們開(kāi)發(fā)了多通道打印噴頭，以實(shí)現(xiàn)高粘彈性生物墨水的按需混合,，且不顯著損害細(xì)胞活性,。   

圖1 由模塊化雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水制成的數(shù)字球形粒子組裝(DASP)

DASP 2.0技術(shù)需要使用高粘度和剪切變稀的生物墨水，以確保在打印過(guò)程中,，擠出的液滴能在具有屈服應(yīng)力的支撐基質(zhì)中均勻生長(zhǎng),。通過(guò)剪切測(cè)試，研究者們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的PAM10溶液和Alg2溶液的粘度不足以滿(mǎn)足DASP打印的要求,，但當(dāng)它們結(jié)合形成生物墨水時(shí),，粘度顯著增加到17.1 Pa·s，同時(shí)保持剪切變稀特性，適合DASP打印,。為了避免快速交聯(lián)導(dǎo)致的堵塞問(wèn)題,，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有靜態(tài)混合室的雙入口打印噴頭，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控驗(yàn)證了其混合能力,。   

利用DASP 2.0技術(shù),，研究者們成功打印出了一個(gè)類(lèi)似覆盆子的空心球結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)由單層相互連接但可區(qū)分的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠粒子組成,，展示了DASP 2.0在體素化生物打印方面的先進(jìn)能力,。此外，研究者們還證明了DASP 2.0可以輕松轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的一維（1D）基于絲材的生物打印,，如成功打印的gyroid立方結(jié)構(gòu),，這是一種高度多孔的結(jié)構(gòu)，由相互連接的通道和空隙網(wǎng)絡(luò)組成,。

通過(guò)對(duì)雙網(wǎng)絡(luò) gyroid結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)壓縮測(cè)試,，研究者們發(fā)現(xiàn)它能夠在不破裂的情況下承受高達(dá)60%的壓縮應(yīng)變，并且在釋放應(yīng)力后完全恢復(fù)到原始高度,，顯示出彈性,、非耗散的行為，這在八個(gè)循環(huán)壓縮過(guò)程中保持一致,。這些結(jié)果表明,，DASP打印的生物墨水能夠制造出高度可變形、彈性,、非耗散且具有多尺度多孔結(jié)構(gòu)的支架,，這些特性對(duì)于創(chuàng)建功能性的三維生物組織構(gòu)建物具有重要意義。

圖2 3D打印雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠

DASP 2.0技術(shù)通過(guò)使用改進(jìn)的雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水和特制的三通道打印噴頭,，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞封裝和三維多尺度多孔支架的打印,，這些支架具有高效的營(yíng)養(yǎng)傳輸能力和機(jī)械穩(wěn)健性。利用Beta-TC-6細(xì)胞系進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,，DASP 2.0技術(shù)能夠在打印過(guò)程中保持細(xì)胞的高存活率和功能,，同時(shí)在體內(nèi)環(huán)境中展現(xiàn)出卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可回收性，證明了其在臨床移植和生物醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用的巨大潛力,。  

圖3 DASP打印的聚丙烯酰胺/海藻酸鹽(PAM/Alg)雙網(wǎng)絡(luò)支架的細(xì)胞相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性

透明質(zhì)酸/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的細(xì)胞相容性測(cè)試顯示,，封裝的Beta-TC-6細(xì)胞在打印后三天的存活率保持在80%以上，這比PAM/海藻酸鹽生物墨水的60%有顯著提高,，并滿(mǎn)足了大多數(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),。此外，將DASP打印的HA/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)格子狀支架移植到小鼠腹腔后,，30天后取出的支架完整性得到了確認(rèn),，表明這些支架具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,，能夠維持長(zhǎng)期的體內(nèi)穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明,，(A + B)/C水凝膠的概念為DASP打印提供了一種通用策略,，用于開(kāi)發(fā)模塊化的雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水。

圖4 一種透明質(zhì)酸/海藻酸(HA/Alg)雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水的機(jī)械性能,、可打印性和生物相容性

總體而言,，本文介紹了DASP 2.0技術(shù)，一種創(chuàng)新的體素化生物打印方法,，用于制造具有高度細(xì)胞相容性和機(jī)械穩(wěn)健性的雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠支架,。DASP 2.0利用無(wú)添加劑點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)精確控制的生物墨水交聯(lián),，實(shí)現(xiàn)了在三維空間中按需組裝復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu),。雖然最初的PAM/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水細(xì)胞相容性有限，但研究者們通過(guò)引入透明質(zhì)酸（HA）,，一種更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的天然多糖,，克服了這一挑戰(zhàn)。DASP 2.0技術(shù)為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一種新的工具,，用于創(chuàng)建高度復(fù)雜且有序的三維組織結(jié)構(gòu),，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。


文章來(lái)源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49705-z