多層環(huán)狀組織的數(shù)字可調(diào)微流控生物打印

供稿人:王慧超，連芩

生物3D打印能夠沉積含有細胞的生物材料，從而形成一定的三維結(jié)構(gòu)，常被用于制造復(fù)雜的仿生組織結(jié)構(gòu)，尤其是脈管結(jié)構(gòu)。目前主要的構(gòu)建脈管方法是逐層堆疊法和使用犧牲材料，但是其打印速度較慢，而且打印過程較為繁瑣，不能直接在打印結(jié)構(gòu)上灌注流體。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院整形外科皮慶猛博士在國際生物材料雜志《Advanced Materials》發(fā)表文章，提出了一種多通道同軸擠出系統(tǒng)（MCCES），可以一次性打印周向多層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并能直接用于灌流。

該研究中使用的生物材料為7%（w/v）GelMA，2%（w/v）海藻酸鈉和2%（w/v）三季戊四醇核（PEGOA），既保證了打印結(jié)構(gòu)的機械強度，也能夠促進細胞生長和增殖。圖1A展示了MCCES系統(tǒng)示意圖，其分為3個供料口，1和2提供裝載有不同細胞的生物材料，3提供用于交聯(lián)的氯化鈣溶液。圖1B展示了打印結(jié)構(gòu)示意圖，通過鈣離子和生物材料交聯(lián)以及光致GelMA交聯(lián)，形成穩(wěn)定的空心管結(jié)構(gòu)。圖1C展示了熒光試劑標記細胞下該系統(tǒng)打印的空心管結(jié)構(gòu)。通過間歇性關(guān)閉1或2可以打印出單層管和雙層管間歇交替結(jié)構(gòu)。在后續(xù)灌流實驗中，結(jié)果顯示，使用該系統(tǒng)打印的空心管結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)完整性并且不會出現(xiàn)流體泄露。

圖1 多通道同軸擠出系統(tǒng)的組成及打印過程示意圖

人體尿道由三個細胞層組成，包括尿道上皮細胞，成纖維細胞和平滑肌細胞，傳統(tǒng)的打印工藝難以構(gòu)建仿生尿道結(jié)構(gòu)，而MCCES系統(tǒng)則可以實現(xiàn)，未來可用于構(gòu)建仿生尿道治療相關(guān)疾病。同時，人體血管結(jié)構(gòu)也有內(nèi)皮細胞層，中間平滑肌層合成纖維細胞外層組成，構(gòu)建仿生血管結(jié)構(gòu)用于醫(yī)學(xué)也是一個難題，文章中提到，靜脈內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞均可在MCCES系統(tǒng)打印結(jié)構(gòu)中生長和增殖，并具有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的能力。未來MCCES系統(tǒng)有望用于構(gòu)建人體仿生脈管組織并用于臨床。

參考文獻：
Q Pi, S Maharjan, X Yan. Digitally tunable microfluidic bioprinting of multilayered cannular tissues[J]. Advanced Materials, 2018.

供稿人:王慧超，連芩 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室