《Nature》最新發(fā)現(xiàn)：用于3D打印的活體生物材料，為4D生物打印奠定了基礎(chǔ)

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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-02263-7

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使得直接使用活體油墨（細(xì)胞和聚合材料的組合）打印類似器官、細(xì)胞密度的組織的前景更加光明。活體油墨置于生理?xiàng)l件下時(shí)，細(xì)胞對(duì)聚合物基體施加機(jī)械力，并動(dòng)態(tài)改變油墨的形狀和機(jī)械性能。為了促進(jìn)組織工程3D打印技術(shù)的發(fā)展，需要對(duì)活體油墨的性質(zhì)有定量的了解，這樣，一旦將活體油墨放入培養(yǎng)基中，其形狀的演化就可以被預(yù)測(cè)，或許還可以被控制。

細(xì)胞生成力下三維生物打印結(jié)構(gòu)元素的定量表征

Morley等在《自然通訊》上發(fā)表文章，是迄今為止對(duì)活體油墨及其機(jī)械性能最完整的定量描述之一。他們的發(fā)現(xiàn)為4D生物打印奠定了基礎(chǔ)，在這個(gè)過(guò)程中，打印的生物材料可以通過(guò)一系列形態(tài)發(fā)生步驟（改變打印物體形狀的生物過(guò)程），最終形成功能和結(jié)構(gòu)上先進(jìn)的形式。

最廣泛使用的3D打印機(jī)是基于擠出的設(shè)備，在這種設(shè)備中，油墨被推入噴嘴，形成具有特定直徑和幾何形狀的絲狀物。組織工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種微顆粒的漿液，這種漿液中含有軟物質(zhì)，如細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM；將細(xì)胞綁定到組織中粘結(jié)劑）的混合物；可以用于3D打印技術(shù)。漿液可以防止所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)元件在重力作用下坍塌。在他們的實(shí)驗(yàn)中，Morley等人使用了一種自由形式的打印技術(shù)，將活體油墨的細(xì)絲擠壓成由聚合物微粒形成的漿液，當(dāng)打印頭在介質(zhì)中移動(dòng)時(shí)，聚合物微粒會(huì)變成液體。

活體油墨由活體成纖維細(xì)胞（動(dòng)物結(jié)締組織中最常見(jiàn)的細(xì)胞）和無(wú)處不在的ECM蛋白膠原1組成，后者提供了一種可以使成纖維細(xì)胞附著的基質(zhì)材料，并引起收縮。打印出來(lái)的絲狀物有一系列的幾何形狀，并由不同的成纖維細(xì)胞和膠原蛋白1組成。作者使用絲狀物作為打印組織最簡(jiǎn)單的構(gòu)件——類似于建筑物支撐框架（桁架）中的一根單梁。

多功能凝膠在芯片上的組裝

Morley等人測(cè)量了打印后絲狀物幾何形狀隨時(shí)間的變化，這些細(xì)胞對(duì)膠原蛋白1施加牽引力，并重構(gòu)了基質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)地改變絲狀物的厚度和長(zhǎng)度，以及它們的膠原蛋白1和細(xì)胞組成，作者對(duì)生物材料絲狀物的力學(xué)特征有了全面的了解。雖然這項(xiàng)研究?jī)H限于簡(jiǎn)單幾何形狀的絲狀物，但從原則上講，得到的數(shù)據(jù)可以用于描述某些組織變形的力學(xué)模型，這些組織中含有更復(fù)雜幾何形狀和圖案的絲狀物。

在關(guān)鍵系列實(shí)驗(yàn)中，作者觀察了四種類型的絲狀物在細(xì)胞牽引下的行為，這些行為可以用絲狀物的材料特性和微粒子漿液的剛度來(lái)定量解釋（圖1）。在剛度較低的微顆粒漿液中，絲狀物彎曲成波浪狀，可減輕細(xì)胞施加的內(nèi)應(yīng)力。然而，如果漿體材料剛度較高，就可以防止屈曲。在中等剛度漿液下，根據(jù)纖維中膠原蛋白1的濃度，絲狀物要么斷裂成小片段，要么縮短。作者提出了一個(gè)理論框架，可預(yù)測(cè)3D打印機(jī)的可控參數(shù)將如何決定將發(fā)生的行為。

圖1活體絲狀物的可預(yù)測(cè)變化

Morley等使用3D打印機(jī)在一種由生長(zhǎng)介質(zhì)中懸浮的微小聚合物顆粒組成的漿液培養(yǎng)材料中打印“活體油墨”絲狀物�；铙w油墨是由成纖維細(xì)胞和膠原蛋白1（一種結(jié)構(gòu)蛋白）混合而成的。作者觀察到，根據(jù)漿料的剛度和油墨中膠原蛋白1的濃度，絲狀物具有以下四種行為。a、當(dāng)微顆粒漿料的剛度較高時(shí)，絲狀物不改變形狀。b、當(dāng)漿料的剛度較低時(shí)，絲狀物發(fā)生屈曲。c,d、在中等漿料剛度下，當(dāng)膠原蛋白1濃度較低時(shí)（c），較長(zhǎng)的絲狀物斷裂為較短的段；當(dāng)膠原蛋白1濃度較高時(shí)（d），較長(zhǎng)的絲狀物縮短。作者對(duì)絲狀物行為的定量分析為組織工程中使用3D打印技術(shù)提供了依據(jù)。

Morley等認(rèn)為他們的理論框架為4D生物打印提供了定量的工程指導(dǎo)方針。例如，我們可以想象細(xì)胞和ECM組件的打印排列，這些組件可以自發(fā)地改變形狀，從而創(chuàng)建組織和器官的合成表示，例如腎臟、肺或血管，這些組織和器官比目前能夠?qū)崿F(xiàn)的更逼真。

然而，在這一設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)之前仍然存在挑戰(zhàn)。使用4D生物打印技術(shù)設(shè)計(jì)功能性組織，需要將大量的活體細(xì)胞和ECM組件整合到打印機(jī)擠出的材料中，所有這些都可能引起生物化學(xué)和機(jī)械相互作用。在一組相互連接的桁架組合中，多根耦合絲狀物有何表現(xiàn)?他們將如何相互推拉？細(xì)胞動(dòng)力學(xué)本身會(huì)隨著結(jié)構(gòu)曲線而變化，還是會(huì)變得更緊密?同樣不清楚的是，如何利用形態(tài)發(fā)生過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的物體，以達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)果，或者這些過(guò)程對(duì)于Morley及其同事們尚未分析的細(xì)胞行為（如增殖、分化和運(yùn)動(dòng)）仍然穩(wěn)健。

最后，應(yīng)該指出的是，所有基于擠壓的打印技術(shù)都存在空間分辨率問(wèn)題。有趣的是，Morley及其同事們的觀察結(jié)果表明，組織工程有一種可能的解決方案：他們發(fā)現(xiàn)絲狀物在一定的參數(shù)范圍內(nèi)收縮。在這種情況下，組織就像ShrinkyDinks（一種加熱后會(huì)收縮，但仍保持原有形狀的玩具。因此，打印組織結(jié)構(gòu)的有效空間分辨率可能通常比打印機(jī)噴嘴直徑允許的要好得多，因?yàn)榧?xì)胞牽引在整個(gè)打印對(duì)象中均有壓縮效果。因此，4D生物打印技術(shù)的挑戰(zhàn)為工程師們提供了令人興奮的機(jī)會(huì)，使其能夠揭示組織發(fā)育過(guò)程，并將其視為可控的設(shè)計(jì)對(duì)象。

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