AHM：3D打印可調(diào)節(jié)孔隙率的微凝膠支架促進細胞滲透

來源 :EngineeringForLife  

基于顆粒狀微凝膠固有的多孔特性，可促進細胞滲透，已成為有前景的組織工程支架材料。3D打印的流變特性受到微凝膠填充和孔隙率的影響，因此將顆粒狀微凝膠應用于3D生物打印，同時保持足夠的孔隙率以實現(xiàn)細胞遷移，增強細胞功能活性，可能是一項挑戰(zhàn)。

近期，美國斯坦福大學材料科學與工程系Sarah C. Heilshorn教授研究團隊通過使用犧牲明膠微凝膠與甲基丙烯�；�明膠（GelMA）微凝膠混合來控制3D生物打印顆粒生物墨水的孔隙率。通過3D打印和UV光交聯(lián)之后，犧牲明膠微凝膠可通過37℃孵育和洗滌去除,剩下的凝膠支架由微凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡組成（圖1）。相關研究論文：“3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction”發(fā)表于雜志Advanced Healthcare Materials上。

圖1 基于犧牲性明膠微凝膠的微孔凝膠生物墨水的設計示意圖

水凝膠微球制備材料：
明膠微球：明膠+阿拉伯樹膠+PF127，甲基丙烯�；�明膠（GelMA）微球：GelMA+明膠+阿拉伯樹膠+PF127

1. 水凝膠微球的理化性能表征
研究者采用復合凝聚法制備得到明膠微球和GelMA微球。明膠微球的平均直徑為18.0 ± 3.97 μm，GelMA微球的平均直徑為50.55 ± 14.31 μm。接下來，為了探究微凝膠生物墨水可擠出3D生物打印的可行性，研究者研究了不同濃度下微凝膠的流變學行為，并最終選擇微凝膠的總濃度為6wt%，其中明膠和GelMA微凝膠以不同的比例混合，從100%w/w GelMA (0:100)到100% w/w明膠(0:100)（圖2）。在擠出打印模型過程（無支撐材料條件下）中，研究者探究了GelMA:明膠微凝膠生物墨水打印垂直結(jié)構(gòu)的量化表征，結(jié)果說明微凝膠含量在5wt%以上的生物墨水適宜于打印不塌陷的垂直形狀結(jié)構(gòu)。且試驗顯示GelMA微凝膠含量為60%的生物墨水能夠在保持預凝膠高度的同時保持圓柱形和蓄水（圖3）。

圖2 無UV交聯(lián)下GelMA和明膠微凝膠生物墨水的流變特性和3D特性

圖3 3D打印自支撐層疊結(jié)構(gòu)

2. GelMA:明膠復合微凝膠生物墨水的孔隙率分析
研究者將打印溫度控制在25℃，然后將打印出的支架立即進行紫外交聯(lián)，浸入到分子量為2000 kDa FITC標記的葡聚糖中，在37℃下孵育24小時。當犧牲性明膠微凝膠液化時，F(xiàn)ITC標記的葡聚糖很容易擴散到整個孔隙空間，而不穿透交聯(lián)的GelMA微凝膠。實驗結(jié)果表明，隨著復合墨水中明膠微凝膠相對比例的增加，交聯(lián)明膠微凝膠間形成的孔隙空間也逐漸增大（圖4）。

圖4 GelMA:明膠復合微凝膠孔隙率的直觀表征

3. GelMA:明膠復合微凝膠的生物相容性
研究者在體內(nèi)外展示了該復合微凝膠生物墨水對于內(nèi)皮細胞的滲透。將各組凝膠DPBS徹底清洗以去除犧牲明膠微凝膠，然后將內(nèi)皮細胞與凝膠孵育7天。試驗表明，各組凝膠均能實現(xiàn)較高的細胞存活率。內(nèi)皮細胞的遷移不僅受到支架幾何形狀的影響，還受到支架力學、細胞粘附配體的密度和間距以及細胞因子的影響。因此，為了證明該墨水提供了合適的微環(huán)境來誘導內(nèi)皮細胞的遷移，研究者進行了細胞浸潤試驗。細胞核z軸方向的定量顯示HUVEC滲入到孔隙率較大的墨水中（圖5）。

除了滲透深度外，研究者探究了HUVEC在不同打印結(jié)構(gòu)之間的形態(tài)。GelMA:明膠微球相對比例為100:0的樣品(即只有間隙孔隙的樣品)與陰性對照樣品最相似，培養(yǎng)7d后細胞形成明顯的單層(圖5d)。相比之下，在40:60的樣本中，HUVEC細胞核在凝膠支架的表面和深處均可觀察到。試驗表明，利用犧牲明膠微凝膠配制的顆粒墨水可以構(gòu)建具有可調(diào)孔隙的凝膠支架，為內(nèi)皮細胞提供一個允許的遷移環(huán)境（圖6）。

圖5 較大孔隙率微凝膠基墨水增強細胞對3D打印結(jié)構(gòu)的滲透

圖6 培養(yǎng)7 d后，內(nèi)皮細胞在不同3D打印微凝膠中的遷移現(xiàn)象

綜上，研究者通過復合GelMA微凝膠和犧牲性明膠微凝膠形成復合生物墨水，該墨水具有可調(diào)的打印性能和孔隙率。該研究利用傳統(tǒng)3D打印策略，擴大了犧牲性生物墨水在更廣泛的生物醫(yī)學應用中的適用性。

光固化GelMA水凝膠（EFL-GM系列）

甲基丙烯�；�明膠（GelMA）由于具有生物兼容性好、可見光固化的特點，已廣泛應用于細胞3D培養(yǎng)、組織工程、生物3D打印等研究領域，已有上萬篇學術論文中采用了GelMA水凝膠。EFL團隊研制的GelMA產(chǎn)品具有批次穩(wěn)定、服務專業(yè)等優(yōu)點。自推出以來，已服務哈佛、劍橋、麻省理工、港大、清華、北大、浙大、上交等國內(nèi)外高校的數(shù)百個課題組。

參考文獻

Alexis J. Seymour,Sungchul Shin,Sarah C. Heilshorn. 3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction to Promote Cell Infiltration. Advanced Healthcare Materials
https://doi.org/10.1002/adhm.202100644