3D水凝膠內熔融靜電打印可犧牲纖維制造

供稿人：李晨、賀健康 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

隨著3D組織模型在生物學、醫(yī)學和藥學領域的興起，人們越來越意識到傳統(tǒng)2D細胞培養(yǎng)技術的局限性，因為3D組織模型可以獲得更準確的結果，這主要依賴于其能創(chuàng)建更真實的細胞環(huán)境，因為3D組織模型中的細胞間和胞質間相互作用與體內條件更加接近，并且這些人工3D組織也可能被用作再生醫(yī)學的組織替代物。然而，由于細胞基質和細胞密度的限制，創(chuàng)建尺寸在0.6mm-1mm之間的人工3D組織模型仍然是一個關鍵的挑戰(zhàn)。并且，人工3D基質應盡可能模擬復雜的細胞相互作用，并促進細胞在3D環(huán)境中的附著、存活和增殖。

針對上述問題，維爾茨堡大學功能材料與生物制造研究所的研究人員提出了利用熱敏材料的犧牲支架，將其整合在水凝膠中制造仿生微血管網絡結構的制造策略。使用熔融靜電打印技術打印可犧牲熱敏材料支架，制造具有高精度微流道模板，使用水凝膠前體溶液在25℃以上填充，并在25℃以下與水凝膠融合形成高精度的可灌注仿生微血管網絡。其制造的分叉結構平均直徑在87μm-275μm之間，并且通過在流道內灌注細胞，可以在三天內快速形成緊密且具有生物功能的內皮層。

研究人員通過使用不同的顯微技術對微流道內細胞的細胞核、CD31和F-actin進行染色和評估，以檢測細胞形態(tài)和3D流道內的流變附著情況。結果顯示細胞均勻附著在管腔表面，且細胞數(shù)量較多(圖1A)。并且可以看到內皮細胞形成的內皮單層均勻充滿微流道表面(圖1B)�；�于內皮化微流道的三維模型重建，研究人員還對分叉流道的細胞培養(yǎng)基進行了數(shù)值流動模擬(圖1C)，分析表示介質通過分支時雖然速度略有上升，但并沒有顯著影響壁剪應力。通過對具有不同分叉角度的微流道中的流體進行數(shù)值模擬，分析了分叉角度對三種不同微通道設計的影響(圖3D)。分析表明流體速度和剪應力并不會隨著分叉角度的增加而顯著改變。

圖 1 微流道內皮化的表征。(A)微流道管腔上CD31陽性內皮單層的3D圖像。(B)具有內皮層的完整微流道的多光子成像。(C)嵌入微血管中流動的數(shù)值分析�；�于(B)中內皮化樣品的幾何特征，在3D模型中灌注細胞培養(yǎng)基的流動剖面和誘導壁剪應力。(D)在具有不同分叉角度的微流道的參數(shù)化三維設計中，計算血液灌注的流動剖面和誘導壁剪切應力。

為了研究內皮層的通透性，研究者使用了兩種不同尺度的異硫氰酸熒光素標記的葡聚糖，分別為20kDa和200kDa，在注射葡聚糖開始時和2小時后分別觀察其在水凝膠基質中的擴散情況(圖2A)。通過測量內皮化與非內皮化微流道內和周圍水凝膠基質中的熒光強度，以評估內皮層提供的屏障功能。結果表明內皮層的存在大大減少了兩種尺度葡聚糖向水凝膠基質中的擴散程度(圖2B)。注射20kDa和200kDa葡聚糖后，與非內皮化流道相比，內皮化流道中觀察到的向周圍水凝膠的擴散減少了約25%和30%(圖2C, D)。結果表明微流道內的內皮層足以模擬血管的屏障功能。

圖 2 熒光標記葡聚糖檢驗的微流道內內皮層通透性。(A)在微流道中灌注葡聚糖后0 - 2小時的熒光圖像。左：20kD葡聚糖；右：200kDa葡聚糖。(B)有無內皮層微通道間擴散速率的比較：葡聚糖分子擴散到水凝膠中的熒光強度。(C, D)兩種尺度葡聚糖擴散的百分比計算。

盡管該方法成功制造了具有內皮功能的可灌注仿生微血管網絡，但依然有需要改進的地方。例如，在熔融靜電打印出的可犧牲支架中填充水凝膠前體溶液時，由于支架的力學性能較差，無法維持打印支架的形狀，導致微流道的結構無法按照預期的設定在水凝膠中形成；當制造復雜結構的微流道時，無法保證所有流道的成型精度。在未來，可以通過改變材料的屬性和其與水凝膠前體溶液的結合方式克服這些問題。通過與多材料打印相結合，制造成型精度更高，穩(wěn)定性更好的人工3D組織模型。

參考文獻：
Ryma, M., Genç, H., Nadernezhad, A., Paulus, I., Schneidereit, D., Friedrich, O., Andelovic, K., Lyer, S., Alexiou, C., Cicha, I., Groll, J., A Print-and-Fuse Strategy for Sacrificial Filaments Enables Biomimetically Structured Perfusable Microvascular Networks with Functional Endothelium Inside 3D Hydrogels. Adv. Mater. 2022, 34, 2200653. https://doi.org/10.1002/adma.202200653