激光3d打印可以打印细胞吗 3D生物打印技术控制细胞组织

江苏激光联盟导读：

3D生物打印可以创建模仿天然组织的工程支架。控制那些工程支架中的细胞组织以进行再生应用是一个复杂而具有挑战性的过程。

大多数组织中的细胞在其空间分布和排列方面表现出高度的组织性。这种组织化的体系结构对于成熟过程中适当的细胞发育以及成熟组织的功能至关重要。因此，用于组织工程的生物制造的细胞支架需要模仿这种细胞结构来复制天然组织的行为。在此之前的研究已经采用了各种化学或拓扑表面构图方法来提供控制细胞排列的线索，但是这些方法限于2D培养并且无法转化为现实的体内条件。研究人员还致力于制造具有可控的空间分布和细胞定向排列的3D支架，以用于各种组织工程应用。3D支架中的细胞排列可以使用与2D细胞对齐中当前使用的化学和拓扑构图方法相似的化学方法和拓扑图方法进行指导。例如，来自多伦多大学的研究人员使用聚焦的激光束在3D水凝胶支架内部图案化生物活性分子，从而沿所需方向诱导细胞伸长。此外，来自哈佛医学院和麻省理工的研究人员还证明了通过微成型或光刻技术将细胞限制在尺寸足够小的结构中，可以引导细胞沿结构的边界延伸。通过施加外部刺激，例如静态和动态机械应力或电脉冲，也可以调节细胞排列。尽管这些方法已成功地制造出了小型化的组织模型，但它们仍受到严重的局限性，例如设置复杂性、外部电场对细胞的负面影响、有限的结构尺寸、多步制造工艺以及低通量，这给它们的临床转换转换带来了严峻的挑战。

在该研究中，研究人员通过创建具有内部基于水凝胶的分隔纤维来指导组织成熟过程中的细胞生长和组织，从而解决了这一挑战。以指导组织成熟过程中的细胞生长和组织。在更大范围内控制纤维直径的同时，每个隔室的尺寸也可以很容易地调整到细胞可识别的尺寸，以允许纤维内细胞排列的有效方向。该团队使用静态混合技术来制造由不同水凝胶的填充微丝形成的条纹水凝胶纤维。在这种结构中，一些隔室为细胞增殖提供了有利的环境，而其他隔室则充当指导细胞排列的形态学线索。具有微米级拓扑结构的毫米级打印纤维可以迅速组织细胞，使工程组织更快地成熟。

图1.多室水凝胶纤维的生物制造，用于形成多尺度的仿生构造。

▲图解：（a）制造装置由静态混合器组成，该混合器产生不同水凝胶的条纹，并与同轴微流体装置集成在一起，该装置通过CaCl2的鞘层流将水凝胶的混合物流挤出，以使藻酸盐交联并形成纤维（i）的基质。然后将纤维暴露于紫外线下以使藻酸盐基质内的GelMA条纹交联，从而形成内部纤维微结构（ii）。使用生物打印策略可形成具有微型内部细丝的毫米级细丝。（b）流体动力学模拟表明，使用静态混合器提高多材料生物打印的分辨率不会显着增加剪切应力和所需的挤出压力。（i）静态混合器和（ii）具有不同尖端直径的圆锥形喷嘴中的剪应力（τ）图。在锥形喷嘴的不同模拟中，尖端直径（D）减小了一半，这对应于每个Kenics元素的应用，将上游流细分为两个半尺寸的子流。相对于静态混合器中最大剪切应力（τmax）的喷嘴尖端的剪切应力绘制为（iii）。还展示了（iv）静态混合器和（v）尖端直径不同的圆锥形喷嘴中的压力（P）图。相对于静态混合器内部最大压力（Pmax）的圆锥形喷嘴内部压力（vi）绘制成图表。x，z，D和L分别是（b-ii）和（b-v）所示的径向位置，轴向位置，尖端直径和圆锥形喷嘴的长度。（c）纤维的组织内部微观结构指导细胞排列，而纤维的坚固性使其能够生物组装，从而形成仿生分层结构。比例尺的大小由红色虚线箭头指示。F-肌动蛋白/ DAPI染色用于评估多室纤维中培养的C2C12细胞的形态。

UConn Health生物工程的合著者、副教授Ali Tamayol表示该方法基于两个原则。形貌的形成是基于喷嘴内流体的设计和两种独立前体的受控混合。交联后，两种材料的界面充当3D表面，为封装在细胞允许隔间内的细胞提供形貌线索。

▲图2. 多隔室水凝胶纤维的表征

为了证明该方法的潜力，他们研究了这种生物预制结构对肌肉细胞生长、形态和功能的影响。该方法可以轻松地应用于各种基于纤维的组织工程方法，包括3D生物打印和生物织品制造，以控制细胞组织，促进生物仿生结构的生物制造。

▲图3. 多隔室水凝胶纤维作为肌肉组织工程的有前途的支架的应用

图4. 多隔室水凝胶纤维在规模化结构的生物制造中的应用。

▲图解：(a). 多层网（i）和单向结构（ii）的生物打印。显微照片（iii）证实了静态混合器在打印时产生的内部微丝得以保留。（i）和（ii）的比例尺为5 mm，（iii）的比例尺为500μm。使用三个Kenics元素可以更好地观察沿着纤维的不同隔室。(b). 用于多隔室水凝胶纤维的仿生组装的各种生物纺织技术，包括编织（i）、编织（ii）、打结（iii）和卷曲形成（iv）。通过将两种不同的荧光颗粒封装在纤维中来指示通过控制单独的纤维组成来操纵组装的构建体的结构的能力。比例尺为2mm。(c) 通过多室水凝胶纤维的生物织物组装制造的充满细胞的编织物（i）和打结物（ii）。F-肌动蛋白/ DAPI测定用于染色。比例尺为2mm。

基于挤出的生物打印是最广泛使用的生物打印方法。在基于挤出的生物打印中，打印的纤维通常大小为几百微米，具有随机定向的细胞，因此非常需要为这些纤维中的细胞提供形貌线索以指导其组织的技术。

常规的挤压生物印刷在细丝的挤压过程中还遭受施加到细胞上的高剪切应力。但是，所提出技术的精细特征是被动的，并且不会损害印刷过程的其他参数。

为了指导细胞的组织，该团队认为，基于挤压的3D生物打印支架应该由非常细的细丝制成。

Tamayol表示这使该工艺具有挑战性，并限制了其生物相容性和可使用的材料数量，但是采用这种策略，较大的长丝仍可以指导细胞的组织。

Tamayol表示，这种生物打印技术“能够产生组织结构的形态特征（分辨率高达与细胞尺寸相当的大小，从而控制细胞行为并形成仿生结构”。它显示出工程化纤维组织的巨大潜力，例如骨骼肌、肌腱和韧带。

本文来源：Mohamadmahdi Samandari et al, Controlling cellular organization in bioprinting through designed 3D microcompartmentalization, Applied Physics Reviews (2021). DOI: 10.1063/5.0040732