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生物3D打印带介观孔隙结构的大尺寸体外组织

来源:客户端

发布时间:2020-02-10 16:46:06

点击量:815

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水凝胶固有的致密微观孔隙网络,营养/氧气供应能力有限,需额外引入营养输送网络以提高营养输送效率,满足细胞生长发育的需求。目前常见的带宏观孔隙的水凝胶结构打印,即宏观孔隙网络(≥1mm)结构打印,由于水凝胶强度比较低,打印大孔隙结构时宏观多孔结构易坍塌,导致大尺寸组织打印后内部营养不良。本研究中,我们继续推进大尺寸组织的体外构建,提出在水凝胶材料内构造介观尺度孔隙概念,孔隙范围100 μm-1 mm,介观孔隙可同时发挥营养/氧气供应和强度支撑作用,能兼顾生物性能和可打印性的要求(图1)。



图1A) 多尺度孔隙在组织工程中的功能 B) 目前采用的致密水凝胶网络用于结构支撑;期望的是兼顾结构支撑和营养输送的介观尺度孔隙网络


我们设计了载牺牲微明胶生物墨水,实现了介观孔隙网络活性结构的高效打印。结构具有高保真度的同时,保持了较高的生物活性,细胞可在介观孔隙网络结构内发生类体内生长行为,如伸展、迁移、连接及组织新生等。

载牺牲微明胶生物墨水具体制备过程分三步(图2),i)将明胶溶液通过低温冷却完全凝胶化;ii) 通过打印用的喷头,将低温凝胶化的明胶平稳匀速的挤碎成微明胶颗粒,挤碎的同时直接挤至载有相应细胞的GelMA生物墨水,随后混合均匀;iii)将载有牺牲微明胶和细胞的GelMA生物墨水装入打印用的注射器,并冷却成可打印的预凝胶化生物墨水。值得注意的是,在冷却制备可打印的预凝胶化生物墨水过程中,装墨水的注射器要每隔20秒翻转一次,以确保细胞和牺牲微明胶混合均匀。


图2 载微明胶GelMA预凝胶化生物墨水制备过程


利用载牺牲微明胶生物墨水,可实现介孔营养网络结构打印(图3)。



图3 打印的介观孔隙网络结构


通过调整不同挤出喷头制备不同尺寸的微明胶,可以实现具有不同尺寸孔隙结构的打印。此外,调整预凝胶生物墨水中的微明胶比例,可以实现不同孔隙率结构打印。(图4)



图4 不同孔隙尺寸,不同孔隙率结构的打印


此外,由于牺牲微明胶和GelMA相互协同工作,增强了整个生物墨水体系的可打印性,能够容易的实现复杂结构的打印,图5,6所示。


图5 二维复杂介观孔隙网络结构打印


图6 三维复杂介观孔隙网络结构打印


为了模拟生物体内细胞或细胞外基质组成多样性,我们还模拟制造了多细胞或多材料组织结构。如图7所示,采用多合一喷头装置,可以切换多种载细胞材料进行打印。打印时,选择性的通入目标载细胞材料,可以打印出多组分介观孔隙网络结构。


图7 多组分介观孔隙网络结构打印


为了验证介观孔隙网络能有效的传输营养/氧气,促进细胞存活及组织的再生,我们打印了载细胞的介观孔隙网络结构(10 mm × 10 mm × 10 mm),并观察结构体内的细胞生长状况,如图8所示,细胞在介观孔隙网络结构内逐渐伸展、迁移并连接,验证了介观孔隙网络传输营养/氧气的有效性。


图8 细胞在多孔结构内自由伸展、迁移、连接形成活性组织结构体


利用载牺牲微明胶生物墨水,直接打印高生物活性介观孔隙网络结构,能有效的促进细胞存活及活性组织形成。牺牲微凝胶可通过自适应的制造方式制备,微凝胶尺寸高度可控,打印时不会堵塞喷头,同时打印结构的孔隙尺寸、孔隙率等均可控。同时,由于牺牲微凝胶与载细胞墨水协同相互作用,增强了整个墨水体系的可打印性,利于结构的高效打印。此外,我们设计的多合一喷头用于打印多材料异质结构,使复杂异质组织结构的制造成为可能。

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