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AFM: 雙噴頭擠出3D打印復雜孔道GelMA水凝膠用于血管模型和微流體灌注培養

魔猴君行業資訊 1450天前

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基于血管網絡在輸送營養、氧氣和信號因子及實時調節組織所需溫度和pH值的重要作用，通過組織工程手段構建血管三維網絡結構將對組織修復、細胞治療和藥物篩選的應用和研究具有重要意義。

在構建血管組織工程支架的應用方法中，3D生物打印使不同生物功能成分（如種子細胞、細胞外基質及生物因子等）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構，以此來作為血管導管，但該構建方法難以制備出內部連通的血管網絡；或利用3D生物打印直接構建富有微孔和通道的網絡結構，但該結構中有序的孔洞容易導致網絡框架的不穩定及底部孔洞的變形等；或利用犧牲墨水（糖、PF127等）在預打印好的支架中形成貫穿的網絡結構，但該打印方法操作效率低，對負載的內皮細胞也存在潛在的細胞毒性。

近期，為了克服以上構建三維構建血管網絡方法的缺點，以明膠和GelMA作為3D打印的生物墨水，倫敦帝國理工學院生物醫學工程研究所Molly M.Stevens團隊在Advanced functional materials上發表題為“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，以可光交聯的GelMA作為填充細胞外基質模板。37℃下，明膠自發溶解形成貫穿的血管網絡框架。

圖1 無孔隙構建3D血管網絡凝膠支架的示意圖及凝膠結構圖

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打印法構建帶有孔隙結構的GelMA凝膠網絡。實現發現無孔隙3D打印法的可打印性更強，凝膠的網絡結構更加穩定。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胞（HDF）和人臍靜脈血管內皮細胞（HUVECs）為細胞模型，探究凝膠支架中負載細胞的生物活性內皮化進程。研究者將HUVECs預先裝載入明膠墨水中，直接打印出無孔結構并進行后續培養，隨著明膠的溶解，內皮細胞的黏附和增殖，可獲得三維貫通的內皮化結構。原位細胞內皮化實驗表明內皮細胞能夠均勻分布于孔道內側，且能夠實現良好的增殖活性，形成均勻的連通網絡和平行管。經過8天的孵育后，細胞熒光染色中內皮細胞粘附標志物CD31的高表達表明HUVECs增殖形成了一個均勻的細胞單層（圖3）。

圖3 無孔隙3D打印GelMA凝膠支架細胞生物活性及原位細胞內皮化圖

除了血管組織工程支架的構建，研究者探究了該無孔隙3D打印方法能否應用于水凝膠基的微流控芯片的構建。如圖4所示，研究者用PDMS作為封裝和支撐凝膠網絡的支架，3D打印構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絡中，且不發生擴散。基于該凝膠基微流控芯片的原位內皮化實驗表明內皮細胞能夠均勻分布于凝膠網絡內腔中，并形成貫穿的內皮網絡結構。