嵌入式打印具有血管網(wǎng)絡(luò)的高細(xì)胞密度組織

供稿人:陳鵬宇，賀健康 供
稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

體外構(gòu)建特定器官的高細(xì)胞密度組織在生物醫(yī)療等領(lǐng)域有重要的意義，但其制造一直是生物3D打印領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。近日，來(lái)自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合目前最新的嵌入式3D打印技術(shù)，制造出具有血管網(wǎng)絡(luò)的、具有特定器官功能的高細(xì)胞密度體外組織。

圖1 制造工藝示意圖

嵌入式打印最大的特定就是在特定支撐浴中打印各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該方法適用的生物材料種類(lèi)多，應(yīng)用廣泛，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性的將細(xì)胞作為支撐材料。如圖1所示，通過(guò)將人多能干細(xì)胞（iPSC）在具有特定形貌的培養(yǎng)皿表明進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)展，形成大量的器官構(gòu)建單元（OBBs），將大量細(xì)胞微團(tuán)離心收集之后，加入Ⅰ型膠原或者基質(zhì)膠Matrigel等細(xì)胞外基質(zhì)材料，形成了類(lèi)似嵌入式打印中常用的顆粒膠支撐浴，這種細(xì)胞微球支撐浴具有自愈合的特點(diǎn)，當(dāng)針頭劃過(guò)后迅速愈合，填滿所造成的裂縫，支撐浴能夠保持住所打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。使用明膠作為犧牲墨水在細(xì)胞微團(tuán)中打印出血管結(jié)構(gòu)，打印完畢后升溫到37℃，整個(gè)組織交聯(lián)，而明膠由于溫度上升液化，形成中空的血管網(wǎng)絡(luò)。

圖2 使用該工藝制造的血管化心肌組織

為了驗(yàn)證該工藝的優(yōu)勢(shì)，該研究團(tuán)隊(duì)嘗試體外構(gòu)建了血管化心肌組織。首先，通過(guò)上述工藝制造了含有心肌細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞以及成纖維細(xì)胞的器官構(gòu)建單元，在進(jìn)行壓縮以后，總細(xì)胞密度能夠達(dá)到240,000,000個(gè)/毫升，這些器官構(gòu)建單元在體外培養(yǎng)1天時(shí)呈現(xiàn)出異步跳動(dòng)，但當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間到7天時(shí)，心肌細(xì)胞跳動(dòng)呈現(xiàn)出同步性。緊接著，研究者們?cè)谶@些器官構(gòu)建單元中打印了可灌流的分支血管結(jié)構(gòu)，在8天培養(yǎng)周期中，心肌細(xì)胞跳動(dòng)幅度逐漸增加，并且在添加鈣離子后跳動(dòng)幅度已經(jīng)同步性都有顯著增加。

參考文獻(xiàn)：
Skylar-Scott, M. A.; Uzel, S. G.; Nam, L. L.; Ahrens, J. H.; Truby, R. L.; Damaraju, S.; Lewis, J. A., Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels. Science Advances 2019, 5 (9), eaaw2459.