【EFL學術】生物3D打印帶介觀孔隙結構的大尺寸體外組織
水凝膠固有的緻密微觀孔隙網絡，營養/氧氣供應能力有限，需額外引入營養輸送網絡以提高營養輸送效率，滿足細胞生長髮育的需求。目前常見的帶宏觀孔隙的水凝膠結構打印，即宏觀孔隙網絡（≥1mm）結構打印，由於水凝膠強度比較低，打印大孔隙結構時宏觀多孔結構易坍塌，導致大尺寸組織打印後內部營養不良。本研究中，我們繼續推進大尺寸組織的體外構建，提出在水凝膠材料內構造介觀尺度孔隙概念，孔隙範圍100 μm-1 mm，介觀孔隙可同時發揮營養/氧氣供應和強度支撐作用，能兼顧生物性能和可打印性的要求（圖1）。
圖1A) 多尺度孔隙在組織工程中的功能 B) 目前採用的緻密水凝膠網絡用於結構支撐；期望的是兼顧結構支撐和營
我們設計了載犧牲微明膠生物墨水，實現了介觀孔隙網絡活性結構的高效打印。結構具有高保真度的同時，保持了較高的生物活性，細胞可在介觀孔隙網絡結構內發生類體內生長行為，如伸展、遷移、連接及組織新生等。
載犧牲微明膠生物墨水具體制備過程分三步（圖2），i)將明膠溶液通過低溫冷卻完全凝膠化；ii) 通過打印用的噴頭，將低溫凝膠化的明膠平穩勻速的擠碎成微明膠顆粒，擠碎的同時直接擠至載有相應細胞的GelMA生物墨水，隨後混合均勻；iii)將載有犧牲微明膠和細胞的GelMA生物墨水裝入打印用的注射器，並冷卻成可打印的預凝膠化生物墨水。值得注意的是，在冷卻製備可打印的預凝膠化生物墨水過程中，裝墨水的注射器要每隔20秒翻轉一次，以確保細胞和犧牲微明膠混合均勻。
圖2 載微明膠GelMA預凝膠化生物墨水製備過程
利用載犧牲微明膠生物墨水，可實現介孔營養網絡結構打印（圖3）。
圖3 打印的介觀孔隙網絡結構
通過調整不同擠出噴頭製備不同尺寸的微明膠，可以實現具有不同尺寸孔隙結構的打印。此外，調整預凝膠生物墨水中的微明膠比例，可以實現不同孔隙率結構打印。（圖4）
圖4 不同孔隙尺寸，不同孔隙率結構的打印
此外，由於犧牲微明膠和GelMA相互協同工作，增強了整個生物墨水體系的可打印性，能夠容易的實現複雜結構的打印，圖5,6所示。
圖5 二維複雜介觀孔隙網絡結構打印
圖6 三維複雜介觀孔隙網絡結構打印
為了模擬生物體內細胞或細胞外基質組成多樣性，我們還模擬製造了多細胞或多材料組織結構。如圖7所示，採用多合一噴頭裝置，可以切換多種載細胞材料進行打印。打印時，選擇性的通入目標載細胞材料，可以打印出多組分介觀孔隙網絡結構。
圖7 多組分介觀孔隙網絡結構打印
為了驗證介觀孔隙網絡能有效的傳輸營養/氧氣，促進細胞存活及組織的再生，我們打印了載細胞的介觀孔隙網絡結構(10 mm × 10 mm × 10 mm)，並觀察結構體內的細胞生長狀況，如圖8所示，細胞在介觀孔隙網絡結構內逐漸伸展、遷移並連接，驗證了介觀孔隙網絡傳輸營養/氧氣的有效性。
圖8 細胞在多孔結構內自由伸展、遷移、連接形成活性組織結構體
利用載犧牲微明膠生物墨水，直接打印高生物活性介觀孔隙網絡結構，能有效的促進細胞存活及活性組織形成。犧牲微凝膠可通過自適應的製造方式製備，微凝膠尺寸高度可控，打印時不會堵塞噴頭，同時打印結構的孔隙尺寸、孔隙率等均可控。同時，由於犧牲微凝膠與載細胞墨水協同相互作用，增強了整個墨水體系的可打印性，利於結構的高效打印。此外，我們設計的多合一噴頭用於打印多材料異質結構，使複雜異質組織結構的製造成為可能。
相關論文“Sacrificial microgel‑laden bioink‑enabled 3Dbioprinting of mesoscale pore networks”近日刊登在Bio-Design and Manufacturing雜誌上。第一作者為邵磊博士生，通訊作者為賀永教授，浙二醫院的劉震傑醫生，高慶博士為共同通訊。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42242-020-00062-y
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