Biomaterials：脫細(xì)胞基質(zhì)墨水的無掃描連續(xù)光固化生物3D打印

來源： EngineeringForLife  

相比于傳統(tǒng)的凝膠基生物墨水，脫細(xì)胞基質(zhì)(dECMs)能更好地模擬細(xì)胞微環(huán)境，可以促進(jìn)細(xì)胞生存、粘附、擴(kuò)散、增殖、遷移、分化，以及組織形成和修復(fù)。但由于其物理特性不可調(diào)，導(dǎo)致可打印性不佳，所以在生物3D打印復(fù)雜功能仿生組織的應(yīng)用中受到了限制。

近期，加州大學(xué)圣地亞哥分校Shaochen Chen團(tuán)隊(duì)提出了一種利用光交聯(lián)的dECM生物墨水和數(shù)字光處理(DLP)的無掃描連續(xù)生物3D打印機(jī)來制造微尺度仿生組織的新方法。該方法可以在短短的幾秒內(nèi)生成非常復(fù)雜的細(xì)微結(jié)構(gòu)，該研究通過使用DLP打印方法對hiPSCs衍生的細(xì)胞與組織匹配的dECM生物墨水進(jìn)行制造，構(gòu)建出了仿生人類心臟和肝臟的橫紋肌和小葉肝結(jié)構(gòu)，再通過生物物理線索引導(dǎo)自發(fā)的細(xì)胞重組進(jìn)入預(yù)先設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)中去，使細(xì)胞在打印結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)很好地生存和成熟。相關(guān)論文“Scanningless and continuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellular matrix”已發(fā)表在“Biomaterials”期刊上。

首先制備兩種可光交聯(lián)的dECM生物墨水：對于心臟組織結(jié)構(gòu)其生物墨水成分為以PBS為溶劑含有5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) HdECM + 0.25% (w/v) LAP的最終溶液；對肝臟組織其生物墨水最終濃度為5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) LdECM + 0.25%(w/v) LAP。然后通過數(shù)字光處理(DLP)的生物3D打印機(jī)(圖1)來制造基于組織特異性dECM的仿生微結(jié)構(gòu)。本研究中基于光固化的生物3D打印過程使同時(shí)具有較好機(jī)械性能和高分辨率復(fù)雜的微尺度幾何圖形僅需幾秒鐘就可以生成。

圖1 利用組織特異性hiPSCs構(gòu)建dECM組織的快速3D生物打印技術(shù).第一步：將人誘導(dǎo)型間充質(zhì)干細(xì)胞分化為hiPSC-CMs和hiPSC-Heps，并分別與各自的組織特異性光交聯(lián)dECM生物墨水相結(jié)合；第二步：每個(gè)組織的關(guān)鍵組織學(xué)特征被設(shè)計(jì)成數(shù)字模型輸入到DLP生物3D打印機(jī)中，從而在幾秒內(nèi)創(chuàng)建具有微尺度的仿生微結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)了兩種不同的仿生模型，用來模擬天然心臟和肝臟的關(guān)鍵組織學(xué)特征(圖2)。其中模擬心肌組織結(jié)構(gòu)的圖案為平行的等距線條，利用結(jié)構(gòu)刺激來促進(jìn)心肌組織的形成；模擬肝臟組織結(jié)構(gòu)的圖案為六角形的小結(jié)構(gòu)。打印后的脫細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)具有高度的圖案精度，并且在28天內(nèi)表現(xiàn)出長期的保真度。心臟和肝臟dECM組織構(gòu)建物的打印曝光時(shí)間是根據(jù)獲得高分辨率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所需的最短時(shí)間來選擇的。研究結(jié)果顯示在打印的組織結(jié)構(gòu)中，柔軟的力學(xué)性能對于保證被包裹的細(xì)胞的擴(kuò)散和重塑是非常重要的。研究中的每個(gè)組織類型所打印的微型脫細(xì)胞dECM結(jié)構(gòu)與所建立的數(shù)字模型非常相似，其匹配尺寸能達(dá)到微米的量級。

圖2 生物打印的仿生學(xué)模式的心和肝dECM組織結(jié)構(gòu) a）設(shè)計(jì)的仿生數(shù)字圖案；b)對應(yīng)的非細(xì)胞3D打印的心臟和肝臟組織結(jié)構(gòu)外觀；c）非細(xì)胞3D打印細(xì)節(jié)；d）種植細(xì)胞；e,f)打印產(chǎn)物宏觀外形；g,h）28天內(nèi)測量的溶脹率

活/死染色結(jié)果顯示兩種構(gòu)建物的細(xì)胞存活率都很高(圖3)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在沒有外界刺激的情況下，心肌細(xì)胞在72h時(shí)恢復(fù)跳動。在肝臟組織構(gòu)建中活/死染色染色結(jié)果也證實(shí)，在7d內(nèi)，LdECM和I型膠原均保持了較高的細(xì)胞活力，并且具有相似的代謝活動水平。目前的研究表明，微尺度幾何結(jié)構(gòu)在細(xì)胞功能、遷移、分化和組織方面起著重要作用。其內(nèi)在原因是通過細(xì)胞與周圍環(huán)境的生物物理信號的相互作用，通過接觸引導(dǎo)來調(diào)節(jié)的。本研究設(shè)計(jì)了兩種單獨(dú)的模式用于細(xì)胞化仿生心臟和肝臟組織構(gòu)建的生物打印。組織特異性dECM生物墨水為支持與組織匹配的hiPSC衍生培養(yǎng)提供了良好的環(huán)境，從而HdECM和LdECM組織中細(xì)胞存活率都較高。hiPSC衍生細(xì)胞在它們的天然dECM提供的刺激環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)，以促進(jìn)細(xì)胞成熟，而打印出的圖案形狀可根據(jù)細(xì)胞對其周圍的生物物理環(huán)境有自然的感覺和反應(yīng)，從而對其組織的發(fā)展實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)。本研究所制造的這些微結(jié)構(gòu)反映了各種組織的詳細(xì)幾何形狀，為促進(jìn)組織特異性的形態(tài)學(xué)提供物理指導(dǎo)線索。

圖3 在生物打印的dECM組織構(gòu)建中培養(yǎng)的組織特異性hipscs衍生細(xì)胞的生存能力

總的來說，該研究通過將dECM生物墨水與基于DLP的3D生物打印技術(shù)相結(jié)合，提供了一種快速構(gòu)建具有組織特異性生化成分、微尺度結(jié)構(gòu)和可調(diào)整模量的仿生人體組織的新方法。研究所述的方法可用于開發(fā)適用于其他組織的特異性dECM生物墨水，用于合理設(shè)計(jì)具有組織樣細(xì)胞密度、高分辨率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以指導(dǎo)細(xì)胞組織和良好控制機(jī)械性能的仿生組織。這些基于dECM的肝臟和心臟組織構(gòu)建物可以為今后研究hiPSC衍生細(xì)胞在復(fù)雜仿生組織系統(tǒng)中的長期穩(wěn)定性和功能成熟打開大門。后續(xù)的應(yīng)用中該方法可用于合并多種細(xì)胞類型，創(chuàng)建基于dECM的異構(gòu)組織結(jié)構(gòu)，可以作為研究生物疾病機(jī)制、開發(fā)個(gè)性化藥物以及診斷藥物篩選應(yīng)用的新途徑。

論文連接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.12.009
參考文獻(xiàn)：
1.Yu C , Ma X , Zhu W , et al. Scanningless andcontinuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellularmatrix[J]. Biomaterials, 2018.