哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院《Adv Mater.》：數(shù)字光處理3D生物打印可調(diào)控梯度結(jié)構(gòu)

來(lái)源：高分子科技

梯度結(jié)構(gòu)廣泛存在于各種組織中，并且對(duì)器官發(fā)育及生理和病理狀況起著至關(guān)重要的作用。而有效地重建三維 （3D）結(jié)構(gòu)中的梯度特征仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。近日，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組開發(fā)了基于數(shù)字光處理 （DLP）方法的可調(diào)控梯度三維生物打印平臺(tái)。將微流控混合器整合至打印機(jī)生物墨水槽的前端，可精確、即時(shí)的通過(guò)調(diào)控墨水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)生物墨水的梯度變化（圖1）。該設(shè)計(jì)同時(shí)免于更換生物墨水時(shí)的沖洗步驟，進(jìn)一步提高了梯度打印的打印速度并且達(dá)到節(jié)約墨水的目的。

圖1 可組合梯度 DLP三維生物打印平臺(tái)由微流控混合器墨水槽及DLP打印系統(tǒng)組成。

基于該打印平臺(tái)，研究人員成功構(gòu)建了一系列二維及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的垂直和/或水平方向上的梯度（圖2）。這些離散或連續(xù)的梯度通過(guò)使用具有2個(gè)或多個(gè)入口的微流控混合器芯片完成，并且所有梯度控制都可以在單次打印過(guò)程中實(shí)時(shí)的輕松實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，這里梯度的離散或連續(xù)取決于打印文件圖案被劃分的數(shù)目。即圖案劃分的數(shù)目越多，可獲得越精細(xì)的梯度。例如，將魔方的打印模型分為 2×2×2、3×3×3 和 6×6×6 塊，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整兩種墨水的 2、3 和 6 組不同的流體比率獲得混合后的墨水，可以在打印的魔方結(jié)構(gòu)中達(dá)到從離散到接近連續(xù)的梯度分布。同時(shí)，連續(xù)的細(xì)胞密度梯度打印實(shí)驗(yàn)表明了該方法產(chǎn)生的梯度具有可逆性、可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且與設(shè)計(jì)的生物墨水流量高度吻合（圖3）。

圖2 由可組合梯度 DLP 打印體系打印獲得的二維和三維包含垂直和/或水平梯度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

圖3 細(xì)胞密度梯度生物打印的結(jié)果顯示了與生物墨水流量相符的細(xì)胞密度梯度。

許多組織由分布不均勻的多種細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)類型組成，其在細(xì)胞功能的建立和細(xì)胞間通訊中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，基質(zhì)中的分子梯度或由周圍細(xì)胞產(chǎn)生的化學(xué)梯度可作為細(xì)胞導(dǎo)向、遷移和命運(yùn)決定的誘導(dǎo)因子。同時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)的硬度對(duì)于細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)、遷移和分化也十分重要。因此，該梯度DLP生物打印平臺(tái)在打印具有多功能梯度的組織中的應(yīng)用也被進(jìn)一步證明，涉及的梯度類型包括細(xì)胞密度梯度、基質(zhì)硬度梯度、多孔結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)因子濃度梯度等（圖4）。

圖4 梯度DLP三維生物打印平臺(tái)在打印具有多功能梯度的生物支架和組織中的應(yīng)用。

該文章以“Digital Light Processing-based Bioprinting with Composable Gradients” 為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后王冕，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后李婉露和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院訪學(xué)本科生Luis S. Mille（現(xiàn)于斯坦福大學(xué)生物工程系就讀博士）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107038