AM：3D打印載凝膠模塊化微籠支架

來(lái)源： EngineeringForLife

傳統(tǒng)的組織工程支架很難在尺寸或形狀上調(diào)整以適應(yīng)缺陷部位，也無(wú)法提供空間分布復(fù)雜的負(fù)載（細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等）。近期，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)(波特蘭)Luiz E. Bertassoni團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表了題為“3D Printing of Microgel-loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering”的研究論文。利用光固化3D打印技術(shù)制造了一種新型的樂(lè)高式模塊化微籠支架，該模塊化支架可以輕松手動(dòng)組裝，并且具有很高的擴(kuò)展性。此外，模塊化的空心微籠設(shè)計(jì)允許每個(gè)單元裝載不同組分的生物凝膠，組裝后的整體結(jié)構(gòu)具有異質(zhì)分布。模塊化的微籠設(shè)計(jì)概念具有裝配簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好、加載性能可控等特點(diǎn)，是一種可擴(kuò)展到多種材料以提高生物性能的靈活系統(tǒng)。

如圖1，研究人員首先通過(guò)光固化3D打�。―LP）技術(shù)，將高密度的β-TCP材料打印成微籠框架，每個(gè)支架單元的尺寸為1.5*1.5*1.5mm的空心籠狀，壁厚為230-560μm。多個(gè)微籠支架可以互相堆疊、組裝，形成各種結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際組織工程中目標(biāo)組織的尺寸與形態(tài)需求。

圖1 模塊化微籠支架的設(shè)計(jì)、打印與組裝

構(gòu)造具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分組織的策略很少見(jiàn)，且這些通常需要復(fù)雜的方法。中空微籠設(shè)計(jì)的另一個(gè)作用是能夠以空間可控的方式在支架上填充所需材料。本研究中所填充的材料是甲基丙烯酸酯化明膠（GelMA），同樣利用DLP打印成具有各種幾何形狀的尺寸小于500*500μm的微凝膠（圖2）。

圖2 DLP打印的具有不同形狀GelMA微凝膠

為體現(xiàn)微凝膠填充支架的異質(zhì)性優(yōu)勢(shì)，研究人員用不同組合的人血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (BMP2)制備微凝膠，并使用不同的熒光標(biāo)記，并與傳統(tǒng)的直接澆筑凝膠作為對(duì)比，體現(xiàn)生物材料的異質(zhì)性分布，如圖3。這些微凝膠可以很容易地在潮濕或干燥的條件下進(jìn)行注射或其它方式加載到單個(gè)的微籠模塊中。微籠也可以預(yù)加載凍干生長(zhǎng)因子負(fù)載的水凝膠，通過(guò)對(duì)預(yù)加載堆進(jìn)行簡(jiǎn)單堆積的直觀過(guò)程，可以獲得異質(zhì)性3D結(jié)構(gòu)的組裝。

圖3 微凝膠異質(zhì)性分布與傳統(tǒng)的澆筑凝膠對(duì)比

此外，為了探究位于微籠支架中不同區(qū)域的生長(zhǎng)因子的位點(diǎn)特異性遷移，研究人員將細(xì)胞單層接種在位于3×1微籠支架上方的Transwell板中。一個(gè)微籠(左側(cè))充滿VEGF負(fù)載的GelMA微凝膠，中間微籠充滿無(wú)添加的微凝膠，另一個(gè)微籠(右側(cè))充滿PDGF負(fù)載的微凝膠。結(jié)果表明，遷移模式遵循了濃度梯度變化，如圖3（I,K）。與無(wú)添加的微凝膠的微籠子相比，VEGF對(duì)細(xì)胞有明顯的吸引力，并刺激細(xì)胞遷移，含有PDGF的微凝膠也顯示了定向遷移的模式。另一方面，充分浸漬了攜帶VEGF和PDGF混合物的水凝膠的微籠構(gòu)建形成了一個(gè)復(fù)合整體，沒(méi)有顯示指示的細(xì)胞遷移模式，如圖3（J,K）。并且，當(dāng)細(xì)胞能夠按指示方式遷移時(shí)，微凝膠負(fù)載支架的細(xì)胞總數(shù)也比單純水凝膠負(fù)載支架的細(xì)胞總數(shù)要高。

最后，研究人員在體內(nèi)和體外對(duì)細(xì)胞侵染微凝膠支架核心的能力進(jìn)行了表征。體外實(shí)驗(yàn)中，裝有微凝膠的微籠中，細(xì)胞均勻分布于樣品的厚度，可見(jiàn)肌動(dòng)蛋白絲遍布整個(gè)結(jié)構(gòu)，而水凝膠澆筑的微籠主要形成單層細(xì)胞，局限于水凝膠的外表面，如圖4（A-B）。值得注意的是，細(xì)胞似乎符合微凝膠的輪廓，這主要是由微凝膠之間形成的孔決定的。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，將兩個(gè)4×4微籠樣品皮下植入大鼠模型，其結(jié)果是通常血管生長(zhǎng)量的將近三倍。裝有微凝膠的微籠支架內(nèi)每平方毫米的細(xì)胞總數(shù)比完全浸漬的樣品高約2.3倍此外，與完全浸漬的樣品相比，裝有微凝膠的支架中的血管總數(shù)平均增加了3.5倍，如圖4（C-G）。

圖4 細(xì)胞侵染微凝膠支架核心的體內(nèi)與體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果