水凝膠和3D生物打印在實(shí)現(xiàn)骨組織模擬物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面發(fā)揮重要作用

來源：EngineeringForLife

生物打印的進(jìn)步使得能夠以高速和高分辨率制造復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。然而，組織內(nèi)仍然存在顯著的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)復(fù)雜性，目前的生物打印技術(shù)和所采用的材料對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的規(guī)模，速度和分辨率施加了限制，使得該技術(shù)無法重現(xiàn)在骨骼中觀察到的結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用。其中，水凝膠是模仿細(xì)胞外基質(zhì)的理想材料，因?yàn)樗鼈兛梢员辉O(shè)計(jì)成呈現(xiàn)各種有利環(huán)境同時(shí)還允許生物打印。

近日，來自伯明翰大學(xué)牙科學(xué)院的Francesca K. Lewns和Gowsihan Poologasundarampillai團(tuán)隊(duì)概述了水凝膠和3D生物打印在實(shí)現(xiàn)骨組織模擬物的生物學(xué)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面發(fā)揮的重要作用，以及它們?cè)谥笇?dǎo)干細(xì)胞重現(xiàn)干細(xì)胞生態(tài)位方面的責(zé)任。相關(guān)論文“Hydrogels and bioprinting in bone tissue engineering: Creating artificial stem-cell niches for in vitro models”于2023年4月23日在線發(fā)表于雜志《Advanced Materials》上。

1. 骨組織工程的障礙
目前骨組織工程的障礙主要包括：1）難以復(fù)制骨的結(jié)構(gòu)和組織，以及其動(dòng)態(tài)重塑過程；2）難以將功能性和成熟的血管化納入其中；3）難以提供適當(dāng)?shù)钠鞴偌?jí)刺激（機(jī)械負(fù)荷和流體流動(dòng)）。為了彌合工程組織和天然組織之間的差距，重要的是克服與3D生物制造策略相關(guān)的有限空間分辨率障礙，并創(chuàng)新以產(chǎn)生具有細(xì)胞宿主和材料配方的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)。在研究生物和結(jié)構(gòu)功能時(shí)，還應(yīng)同步考慮使用材料配方和生物物理線索構(gòu)建特殊微環(huán)境直至細(xì)胞表型效應(yīng)的過程（信號(hào)——化學(xué)、物理和機(jī)械）（圖1）。

圖1 骨結(jié)構(gòu)及與3D生物打印的結(jié)合

2. 生物材料挑戰(zhàn)：材料特性
ECM支持并影響重要的細(xì)胞過程，包括形態(tài)、遷移和命運(yùn)。細(xì)胞對(duì)生物化學(xué)和生物物理刺激（圖2a）以及氧氣水平和營(yíng)養(yǎng)濃度的反應(yīng)來感知和修飾其基質(zhì)，所有這些因素都有助于微環(huán)境生態(tài)位。機(jī)械敏感性反饋在骨組織中很重要，由于周圍環(huán)境的外部物理和流體力而改變其表型和功能，以調(diào)節(jié)組織形成（圖2b）。

圖2 （a）細(xì)胞行為微環(huán)境的生物物理線索示意圖；（b）在骨細(xì)胞中描述的與幾種生物成分的機(jī)械感應(yīng)和反應(yīng)的細(xì)胞過程

3. 細(xì)胞附著和組織
通過生物化學(xué)和生物物理線索促進(jìn)細(xì)胞附著在水凝膠基質(zhì)上是優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵方面。作者在此部分詳細(xì)敘述了水凝膠結(jié)構(gòu)在細(xì)胞附著和組織中的作用，圖 2a 顯示了生物物理線索的總體概括，主要包括：（1）水凝膠剛度在細(xì)胞遷移、增殖和分化中的作用（圖3a-b）、（2）水凝膠粘彈性對(duì)細(xì)胞遷移、增殖和分化的影響（圖3c-f、圖4）、（3）水凝膠降解在細(xì)胞遷移、增殖和分化中的作用、（4）水凝膠3D結(jié)構(gòu)在細(xì)胞遷移、增殖和分化中的作用。

圖3 水凝膠剛度（a-b）和粘彈性（c-f）對(duì)細(xì)胞反應(yīng)的影響

圖4  (a-b) 水凝膠粘彈性和(c)降解對(duì)重塑粘彈性的作用

4. 骨組織沉積和重塑
本節(jié)描述了如何微調(diào)生物材料的特性以將細(xì)胞行為局部引導(dǎo)至單個(gè)細(xì)胞。增材制造，特別是生物制造，非常適合將生物物理線索從局部擴(kuò)展到器官水平。生物制造可以通過引入自上而下的方法來創(chuàng)建類似于骨骼的復(fù)雜、多變的結(jié)構(gòu)，從而克服宏觀空間和機(jī)械的復(fù)雜性，并可以為多樣化的空間布置提供解決方案，以提供組織匹配的機(jī)械性能。例如，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)孔大小是影響新組織形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成部分，支架中的結(jié)構(gòu)線索在調(diào)節(jié)血管化方面發(fā)揮著特殊作用；此外，納米尺度的對(duì)稱性和無序模式，以納米線索的形式已被證明可以作為生物活性設(shè)計(jì)。

5. 骨組織工程生物打印
生物打印是生產(chǎn)密切反映組織和器官各向異性復(fù)雜性質(zhì)的結(jié)構(gòu)的幾種方法之一。在生物打印中，有不同的制造策略，包括基于液滴、基于擠出和激光輔助打印，以及立體光刻。

作者在本節(jié)重點(diǎn)介紹了3D生物打印技術(shù)如何用于組織制造領(lǐng)域的創(chuàng)新，主要介紹了當(dāng)前組織制造面臨的挑戰(zhàn)以及最新進(jìn)展，還介紹了生物打印方面的關(guān)鍵創(chuàng)新。作者在表1總結(jié)了不同的生物打印技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和局限性。

表1 目前3D 生物打印技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和局限性概述（部分）

最后，作者結(jié)合一些實(shí)際案例對(duì)近年來生物 3D 打印的實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行了說明，這些創(chuàng)新使大型組織和多材料打印成為可能，使其具有良好的分辨率和更高的細(xì)胞活力。

6. 結(jié)論和展望
由于組織工程是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍然存在于本綜述強(qiáng)調(diào)的三個(gè)不同領(lǐng)域——BTE、水凝膠設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造的 3D 生物打印。為了創(chuàng)建完全具有代表性的體外組織模型，需要對(duì)潛在療法進(jìn)行長(zhǎng)期、完整的結(jié)構(gòu)測(cè)試，研究人員必須確定這三個(gè)領(lǐng)域中未滿足的要求：

1）首先要再現(xiàn)的器官的動(dòng)態(tài)特性，即復(fù)雜性、血管形成和器官水平模擬；

2）二是水凝膠的開發(fā)和進(jìn)步，它可以概括干細(xì)胞微環(huán)境生態(tài)位并指導(dǎo)適當(dāng)?shù)募?xì)胞表型；

3）3D生物打印在水凝膠和3D構(gòu)造開發(fā)和組織成熟所需的復(fù)雜骨骼結(jié)構(gòu)之間架起了一座有效橋梁。技術(shù)的進(jìn)步，包括體積打印、多材料打印和基于微流體的打印，極大地提高了打印速度、分辨率和復(fù)雜性，這些障礙可以通過水凝膠配方的協(xié)同發(fā)展和生物打印技術(shù)的融合來克服。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202301670