用于細胞遷移和生長的懸掛熔融近場直寫纖維陣列

來源：EngineeringForLife  

懸掛纖維常會由于各種參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而隨機出現(xiàn)于近場直寫與傳統(tǒng)靜電紡絲的3D結(jié)構(gòu)中，并常常被視為良好支架的缺陷。但懸掛纖維結(jié)構(gòu)同時也是一種有趣的拓撲結(jié)構(gòu)，若能被可控化制造，則有可能用于創(chuàng)傷后高度組織性、各向異性結(jié)構(gòu)的重建。為此，University of Würzburg的Paul D. Dalton團隊聯(lián)合RWTH Aachen University Hospital的Gary A. Brook團隊研究了懸掛纖維的制造機理與工藝，并利用制造的懸掛纖維陣列對早期出生后小鼠背根神經(jīng)節(jié)(DRG)外植體的細胞遷移和神經(jīng)突觸生長的影響進行了初步研究。相關(guān)研究論文：Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth發(fā)表于Macromolecular Bioscience雜志上。

研究人員設(shè)計了間距逐漸變化的楔形支撐結(jié)構(gòu)來測試?yán)w維的懸掛能力，圖1。從初步的研究結(jié)果看，打印溫度對纖維懸掛成功率的影響很大，低溫可以改善纖維懸掛的成功率以及懸掛距離。

圖1 熔融電直寫懸掛纖維示意圖與纖維懸掛狀態(tài)

進一步研究其他打印參數(shù)的作用，如圖2。打印速度對纖維的懸掛能力有重要影響，打印速度越快，纖維懸浮跨越更大跨度間隙的概率越大。如之前的報道，更快的打印速度導(dǎo)致更長的拖尾效應(yīng)，同時纖維可以更快地冷卻，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的懸掛纖維。增加集電極間距由于減少了靜電力以及延長了冷卻距離，也可以改善懸掛狀態(tài)。降低電壓也可以達到類似的效果。環(huán)境溫度也有較大影響，較低的溫度可以改善懸掛，而小范圍的濕度差異則沒有顯著影響。此外，由于懸掛纖維可能發(fā)生松弛，需要加上附加的纖維錨定壁，從而實現(xiàn)良好懸掛纖維陣列的制造。

圖2 各種纖維在不同打印條件下產(chǎn)生懸掛的定量分析結(jié)果

根據(jù)先前測試獲得對纖維懸掛狀態(tài)的影響參數(shù)，可以進行更復(fù)雜的設(shè)計。為了得到一個真正的三維定向纖維結(jié)構(gòu)，可以利用壁內(nèi)纖維的數(shù)量來控制纖維懸掛的高度，如圖3。懸掛纖維與附加層“嵌入”在纖維壁中，也可以構(gòu)建一定角度的交叉結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在纖維沉積精度上，對纖維在X-Y平面位置的控制最為不準(zhǔn)確，在懸掛的纖維/壁交點處有輕微偏移。此外，纖維交點也有輕微的X-Y平面偏移。這種差異可能是由靜電相互作用或從打印方向拐點的非理想位置引起的誤差。

圖3 近場直寫的各類具有懸掛纖維結(jié)構(gòu)的支架

由于柔軟的纖維壁結(jié)構(gòu)在后續(xù)細胞實驗中容易變形而導(dǎo)致纖維懸掛混亂（圖3I），研究人員在整體結(jié)構(gòu)外還增加了同樣工藝打印的環(huán)來進行加固（圖4A）。當(dāng)DRG被種植于支架上后，立即顯示出球形外觀，并在21天后可以觀察到雪旺細胞沿懸掛纖維與纖維壁遷移，且沿懸掛纖維顯示出紡錘形態(tài)。

DRG來源的神經(jīng)突也顯示出類似雪旺細胞的遷移模式，與懸浮纖維緊密相連的神經(jīng)突顯示出簡單的生長錐狀尖端，神經(jīng)突延伸的模式似乎很容易在相鄰纖維之間架起橋梁，如圖4。

圖4 懸掛纖維陣列與其上的細胞形態(tài)

本研究探索了熔融近場直寫工藝制造懸掛纖維陣列的打印工藝。纖維陣列支架能夠承受反復(fù)的培養(yǎng)基和液體變化，以進行細胞培養(yǎng)，以及隨后的過氧化物酶免疫-化學(xué)處理，并能觀察到DRG接種于支架后的雪旺細胞遷移和神經(jīng)突的生長，可用于創(chuàng)傷后高度組織性、各向異性結(jié)構(gòu)的重建。

參考文獻

Andrei Hrynevich, Pascal Achenbach, Tomasz Jungst, Gary A. Brook, Paul D. Dalton. Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth. Macromolecular Bioscience.
https://doi.org/10.1002/mabi.202000439