利用三維立體光刻技術構(gòu)建具有非均質(zhì)微機械環(huán)境的三維生物支架

來源： EngineeringForLife

我們知道，細胞外基質(zhì)的微機械環(huán)境對組織的生長發(fā)育非常重要，人體內(nèi)不同部位的細胞生存的機械環(huán)境也不盡相同。比如，血管內(nèi)皮細胞需要經(jīng)受血管的舒張以及血液流動對它產(chǎn)生剪切力的影響，肌腱細胞需要承受劇烈的拉伸變形，心肌細胞則需要提供長期的疲勞變形。組織器官內(nèi)部微機械環(huán)境的改變有可能會引發(fā)各種心血管疾病和組織器官的癌變。因此，設計一個與原生組織相類似的細胞外基質(zhì)微機械環(huán)境，對組織工程中組織器官的替換、藥物篩選以及疾病建模非常有意義。但是構(gòu)建三維空間上異質(zhì)的微機械環(huán)境仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為從機械工程的角度來看，三維結(jié)構(gòu)幾何形狀的成型與機械剛度總是相互耦合，如何在保證結(jié)構(gòu)成型的同時，實現(xiàn)不同區(qū)域機械剛度的調(diào)控是一個工程學上的難題。

對此，美國科羅拉多大學機械工程系Xiaobo Yin教授團隊在Nature Communications上發(fā)表了題為Orthogonal programming of heterogeneous micro-mechano-environmentsand geometries in three-dimensional bio-stereolithography的研究論文。該論文通過應用三維立體光刻技術（DLP打印技術）對水凝膠材料進行具有機械異質(zhì)性三維支架的打印研究，成功構(gòu)建了具有不同剛度的水凝膠支架，為體外機械異質(zhì)三維組織的制造開辟了新的途徑。

在DLP打印技術中，水凝膠材料在光源的照射下進行交聯(lián)，從而形成具有一定形狀的凝膠結(jié)構(gòu)，其中曝光劑量（曝光強度和曝光時間）是非常重要的工藝參數(shù)，它直接影響了水凝膠的交聯(lián)密度和每層固化厚度，大劑量的曝光（過大的曝光強度或者過長的曝光時間）在提高水凝膠交聯(lián)密度的同時，也會大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交聯(lián)的過程中，氧氣（O2）的存在會形成氧抑制區(qū)域，影響最后的打印結(jié)果。但在該研究中，他們發(fā)現(xiàn)控制一定程度的氧抑制層的存在，可以使得每層的固化厚度對曝光劑量不敏感，但是卻可以很好地調(diào)節(jié)局部的交聯(lián)密度，從而來構(gòu)建局部不同的機械剛度，如圖1所示。

圖1 利用氧抑制的DLP打印原理

這樣，既保證了水凝膠結(jié)構(gòu)的打印精度，同時大大增加了曝光劑量的調(diào)控范圍，使得水凝膠結(jié)構(gòu)的剛度可以在一個較大范圍內(nèi)進行調(diào)控。為了演示水凝膠結(jié)構(gòu)局部剛度的調(diào)控，研究人員打印了硬/硬、軟/硬、軟/軟三種不同組合的細桿懸挑結(jié)構(gòu)，如圖2所示。同時，還構(gòu)建了一個“外剛內(nèi)柔”的兵馬俑模型來體現(xiàn)同一模型內(nèi)部局部機械剛度的調(diào)控能力。

圖2 細桿懸挑結(jié)構(gòu)和“兵馬俑”結(jié)構(gòu)的打印展示

圖3 機械異質(zhì)水凝膠支架的生物學性能表征

該打印策略構(gòu)建的三維水凝膠結(jié)構(gòu)在生物應用上更是大放異彩，研究人員構(gòu)建了半軟半硬的3D血管結(jié)構(gòu)模型，并在其上接種了牛肺動脈平滑肌細胞（bPASMCs），細胞顯示了良好的生長狀況，如圖3所示，有意思的是，在不同的剛度區(qū)域內(nèi)，細胞的長勢完全不同。bPASMCs細胞在高剛度區(qū)域（大曝光劑量）進行了非常好的黏附與遷移，但在低剛度區(qū)域（小曝光區(qū)域）卻幾乎沒有細胞的黏附生長。這進一步說明了細胞外基質(zhì)的機械異質(zhì)性對細胞生長的調(diào)控作用，同時也揭示了利用該方法構(gòu)建局部異質(zhì)的微機械環(huán)境的能力，和及進行體外生物異質(zhì)組織制造的潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-06685-1