AFM: 雙噴頭擠出3D打印復(fù)雜孔道GelMA水凝膠用于血管模型和微流體灌注培養(yǎng)
魔猴君 行業(yè)資訊 1650天前
基于血管網(wǎng)絡(luò)在輸送營養(yǎng)、氧氣和信號因子及實時調(diào)節(jié)組織所需溫度和pH值的重要作用，通過組織工程手段構(gòu)建血管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將對組織修復(fù)、細(xì)胞治療和藥物篩選的應(yīng)用和研究具有重要意義。
在構(gòu)建血管組織工程支架的應(yīng)用方法中，3D生物打印使不同生物功能成分（如種子細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)及生物因子等）在時間和空間上的可控沉積成為可能。例如利用同軸生物打印仿生中空的纖維結(jié)構(gòu)，以此來作為血管導(dǎo)管，但該構(gòu)建方法難以制備出內(nèi)部連通的血管網(wǎng)絡(luò)；或利用3D生物打印直接構(gòu)建富有微孔和通道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)中有序的孔洞容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)框架的不穩(wěn)定及底部孔洞的變形等；或利用犧牲墨水（糖、PF127等）在預(yù)打印好的支架中形成貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但該打印方法操作效率低，對負(fù)載的內(nèi)皮細(xì)胞也存在潛在的細(xì)胞毒性。
近期，為了克服以上構(gòu)建三維構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)方法的缺點，以明膠和GelMA作為3D打印的生物墨水，倫敦帝國理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所Molly M.Stevens團隊在Advanced functional materials上發(fā)表題為“Void-Free 3D Bioprinting for In Situ Endothelialization and Micro?uidic Perfusion”的文章，如圖1A圖所示，研究者以溫敏的明膠基生物墨水作為可打印的犧牲模板，以可光交聯(lián)的GelMA作為填充細(xì)胞外基質(zhì)模板。37℃下，明膠自發(fā)溶解形成貫穿的血管網(wǎng)絡(luò)框架。
圖1 無孔隙構(gòu)建3D血管網(wǎng)絡(luò)凝膠支架的示意圖及凝膠結(jié)構(gòu)圖
以濃度分別為7.5 wt%的明膠和5 wt% GelMA作為生物墨水，研究者對比了直接3D打印法和無孔隙3D打印法構(gòu)建帶有孔隙結(jié)構(gòu)的GelMA凝膠網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)無孔隙3D打印法的可打印性更強，凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。且該打印方法也適用于其他生物墨水的3D打印，如雙鍵改性的透明質(zhì)酸等（圖2）。
圖2 直接3D打印和無孔隙3D打印的可打印性對比測試圖
研究者以人皮膚成纖維細(xì)胞（HDF）和人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）為細(xì)胞模型，探究凝膠支架中負(fù)載細(xì)胞的生物活性內(nèi)皮化進(jìn)程。研究者將HUVECs預(yù)先裝載入明膠墨水中，直接打印出無孔結(jié)構(gòu)并進(jìn)行后續(xù)培養(yǎng)，隨著明膠的溶解，內(nèi)皮細(xì)胞的黏附和增殖，可獲得三維貫通的內(nèi)皮化結(jié)構(gòu)。原位細(xì)胞內(nèi)皮化實驗表明內(nèi)皮細(xì)胞能夠均勻分布于孔道內(nèi)側(cè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的增殖活性，形成均勻的連通網(wǎng)絡(luò)和平行管。經(jīng)過8天的孵育后，細(xì)胞熒光染色中內(nèi)皮細(xì)胞粘附標(biāo)志物CD31的高表達(dá)表明HUVECs增殖形成了一個均勻的細(xì)胞單層（圖3）。
圖3 無孔隙3D打印GelMA凝膠支架細(xì)胞生物活性及原位細(xì)胞內(nèi)皮化圖
除了血管組織工程支架的構(gòu)建，研究者探究了該無孔隙3D打印方法能否應(yīng)用于水凝膠基的微流控芯片的構(gòu)建。如圖4所示，研究者用PDMS作為封裝和支撐凝膠網(wǎng)絡(luò)的支架，3D打印構(gòu)建了不同圖案的微流控芯片模型。實驗表明，微流體能夠均勻流通于凝膠網(wǎng)絡(luò)中，且不發(fā)生擴散。基于該凝膠基微流控芯片的原位內(nèi)皮化實驗表明內(nèi)皮細(xì)胞能夠均勻分布于凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)腔中，并形成貫穿的內(nèi)皮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖4 無孔隙3D打印GelMA凝膠用于微流體灌注和原位內(nèi)皮化細(xì)胞芯片實驗圖
綜上所述，研究者通過無孔隙3D打印方法實現(xiàn)了個性化、均一管狀結(jié)構(gòu)三維凝膠網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。相比其他犧牲墨水式3D打印方式，該方法解決了三維凝膠網(wǎng)絡(luò)易坍塌、低粘度生物墨水難以成型、內(nèi)皮細(xì)胞種植效率低等難題，且可以用來構(gòu)建內(nèi)部互通良好的水凝膠基微流控芯片。
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