Biofabrication：利用投影式光固化3D打印方法制造磁力生物反應(yīng)器

來(lái)源：EngineeringForLife  

如今，各種生物反應(yīng)器已被廣泛運(yùn)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中磁力生物反應(yīng)器能夠?yàn)榧?xì)胞提供更穩(wěn)定的作用力，同時(shí)能夠避免直接操作材料。但磁力生物反應(yīng)器在一致性和生物相容性方面存在缺陷，這導(dǎo)致很難將其投入到實(shí)際應(yīng)用中去。近期，來(lái)自Hallym University的Chan Hum Park團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有良好生物相容性的復(fù)合磁性水凝膠，同時(shí)利用DLP生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了磁力生物反應(yīng)器，通過(guò)使用磁力生物反應(yīng)器對(duì)磁性水凝膠施加力學(xué)刺激促進(jìn)了其中成肌細(xì)胞的增殖。相關(guān)論文“A digital light processing 3D printed magnetic bioreactor system using silk magnetic bioink”發(fā)表于Biofabrication雜志上。

首先，研究人員利用甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)對(duì)明膠以及絲素蛋白進(jìn)行改性制得兩種水凝膠溶液：甲基丙烯酸縮水甘油酯明膠(Gel-GMA)溶液和甲基丙烯酸縮水甘油酯絲素蛋白(Silk-GMA)溶液(圖1a)。其中的Silk-GMA溶液加入小鼠成肌細(xì)胞(C2C12)用于打印復(fù)合磁性水凝膠結(jié)構(gòu)的載細(xì)胞部分，Gel-GMA溶液加入氧化鐵(IO )用于打印復(fù)合磁性水凝膠結(jié)構(gòu)的磁性部分(圖1b)。

圖1 復(fù)合磁性水凝膠的制備與打印過(guò)程

其次，研究人員利用DLP打印技術(shù)制造了一種磁力生物反應(yīng)器(圖2)，該裝置可提供動(dòng)態(tài)可調(diào)的機(jī)械刺激，從而對(duì)復(fù)合磁性水凝膠施加磁力，通過(guò)對(duì)復(fù)合磁性水凝膠的響應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試，可評(píng)估機(jī)械刺激對(duì)成肌細(xì)胞的影響。

圖2 磁力生物反應(yīng)器系統(tǒng)

隨后，研究人員對(duì)含有不同IO濃度配比的復(fù)合磁性水凝膠進(jìn)行了DLP打印測(cè)試，確定了復(fù)合磁性水凝膠的最佳濃度配比(圖3)。與此同時(shí)，研究人員還對(duì)這些復(fù)合磁性水凝膠進(jìn)行了粘彈性流變學(xué)測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試及延展性測(cè)試，從而確定了該種生物墨水的打印性能、抗應(yīng)變能力以及穩(wěn)定性(圖4)。

圖3 不同IO濃度含量的水凝膠的可打印性以及強(qiáng)度

圖4 水凝膠的流變學(xué)和力學(xué)表征

最后，研究人員探究了光源曝光功率、IO濃度與細(xì)胞活性的關(guān)系(圖5)，并通過(guò)拉伸對(duì)照實(shí)驗(yàn)觀察到拉伸組的成肌細(xì)胞活性有所增強(qiáng)，且細(xì)胞沿水凝膠的拉伸方向排列(圖6)。這些結(jié)果證明了磁力生物反應(yīng)器所產(chǎn)生的機(jī)械刺激對(duì)成肌細(xì)胞增殖具有一定的影響。

圖5 復(fù)合磁性水凝膠的細(xì)胞活性分析

圖6 熒光染色結(jié)果分析

綜上所述，研究人員成功制備了復(fù)合磁性生物墨水，并利用DLP打印技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了三維制造，通過(guò)對(duì)該生物墨水進(jìn)行相關(guān)理化性能表征及細(xì)胞活性檢測(cè)，得到了其最佳濃度配比，同時(shí)也證明了該磁力生物反應(yīng)器可促進(jìn)成肌細(xì)胞的增殖。該方法在細(xì)胞分化及分化組織結(jié)構(gòu)形成等應(yīng)用中具有巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)
Ajiteru O, Choi KY, Lim TH, Kim DY, Hong H, Lee YJ, Lee JS, Lee H, Suh YJ, Sultan MT, Lee OJ, Kim SH, Park CH. A digital light processing 3D printed magnetic bioreactor system using silk magnetic bioink. Biofabrication. 2021 May 13;13(3).
https://doi.org/10.1088/1758-5090/abfaee