基于多材料打印的三維血管化肝臟組織模型

來源：EngineeringForLife  

血管幾乎遍及人體所有組織，對人體病理生理有重要影響。然而，目前對于多尺度血管的生物制造仍然面臨很多問題。來自中國科學院動物所顧奇研究員聯(lián)合中國科學院沈陽自動化研究所鄭雄飛研究員以及中國科學院化學研究所王樹研究院團隊利用定制的打印機，開發(fā)了一種多材料打印制備血管化組織的方法，在藥物篩選以及肝組織工程中有著巨大的應用前景。相關論文“3D Liver Tissue Model with Branched Vascular Networks by Multimaterial Bioprinting”發(fā)表于雜志Advanced Healthcare Materials上。

圖1 多材料生物打印策略的示意圖

為了將GelMA的最佳打印性能和纖維蛋白的血管生成性能結合起來，研究者使用了由GelMA和纖維蛋白混合物組成的載細胞墨水。SEM圖像顯示，隨著GelMA濃度的降低，連通孔隙的平均尺寸增大，并且纖維蛋白添加后，孔的平均尺寸減小。多孔結構可促進營養(yǎng)物質擴散，提高細胞存活率。為了評估墨水的生物相容性，將含有不同熒光的細胞共同包被在GF基質中，并使用共聚焦顯微鏡定量毛細血管樣網絡形成的程度。結果表明，水凝膠中形成了毛細管樣結構。3% GelMA + 0.25% 纖維蛋白（3GF）中形成的毛細血管樣結構比3% GelMA（3G）或5% GelMA + 0.25% 纖維蛋白（5GF）中更豐富、更長。因此，在接下來的研究中，3GF被選擇作為載細胞墨水。（圖2）

圖2 GF水凝膠的表征和毛細血管狀網絡的形成

墨水的粘度是影響打印過程的重要因素之一。為此，研究者評估了在不同溫度條件下GelMA的粘度。并且對粘度數(shù)據進行擬合，建立了表征粘度-溫度-濃度的三維熱圖。結果發(fā)現(xiàn)，3%GelMA在零度溫度以上，能實現(xiàn)粘度可控的最低濃度。使用電驅動擠壓GelMA，并調節(jié)溫度控制系統(tǒng)以保持生物墨水處于凝膠狀態(tài)。為了設計和制造血管化組織結構，研究者設計并打印了幾種不同的結構體來演示具有通道結構的穩(wěn)定打印結構體的形成。（圖3）

圖3 3D打印血管結構

為了為長期培養(yǎng)提供穩(wěn)定的灌注，研究者制作了一個連續(xù)流灌注系統(tǒng)。將HUVEC和MSC作為單細胞，用3GF包被打印并進行比較，研究了灌注培養(yǎng)過程中單個細胞和多個細胞聚集的活力。結果發(fā)現(xiàn)，打印的細胞可隨著時間的推移而增殖。接下來為了證明血管化組織的形成，研究者使用HUVEC和HFF共培養(yǎng)聚集物進行打印，與3GF水凝膠培養(yǎng)3天后，進行血管形成和管腔形成的形態(tài)學評估。結果發(fā)現(xiàn)打印出來的組織顯示多個細胞聚集，并形成毛細血管樣網絡。將HUVEC植入構建的通道中，經過一夜的連續(xù)灌注培養(yǎng)后，細胞聚集，仍可維持較高的細胞密度。（圖4）

圖4 組織灌注培養(yǎng)和聚集打印在體外形成血管網

為了在體外構建肝臟模型，研究者將HUVECs、MSCs和HepG2聚集物封裝在水凝膠中，觀察細胞的分布以及相關基因的表達。打印組織顯示HUVECs和MSCs形成毛細血管樣網絡，并出現(xiàn)多個細胞聚集。通過PCR測定相關基因的表達，來評估該肝單元的功能。最終選擇培養(yǎng)7天的肝組織進行進一步實驗。將打印的組織植入小鼠腹膜下，選擇3GF水凝膠作為對照。結果發(fā)現(xiàn)在移植后第7天肝組織出現(xiàn)新生血管。最后研究者通過大鼠動脈血管移植，證明了這些組織可以直接用于手術吻合宿主血管。（圖5）

圖5 血管化肝組織的制造

綜上所述，本研究首次證明了可以使用低濃度的GelMA和纖維蛋白作為生物墨水，以擠壓為基礎打印血管化組織。這種基于3D打印的方法使我們能夠在厘米級組織中構建具有活性組織功能的血管網絡。此外，它為藥物篩選、研究人體組織發(fā)育和疾病，以及明確肝組織工程移植治療開辟了一條可行的途徑。

參考文獻

Xin Liu,Xinhuan Wang， et al. 3D Liver Tissue Model with Branched Vascular Networks by Multimaterial Bioprinting. Advanced Healthcare Materials
https://doi.org/10.1002/adhm.202101405