嵌入式3D生物打印有望攻克復(fù)雜細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)

來源： EngineeringForLife

三維生物打印是一種先進(jìn)的組織制造技術(shù)，允許通過逐層精確定位多種細(xì)胞類型來打印復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。嵌入式生物打印是一種凝膠中凝膠方法，旨在克服生物打印的重力和懸垂限制，以打印微米級分辨率的大尺寸結(jié)構(gòu)。在嵌入式生物打印中，通過顆粒介質(zhì)內(nèi)的針移動，支撐浴的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變將促進(jìn)生物墨水沉積到微凝膠或顆粒支撐浴中。

近日，來自印度SASTRA認(rèn)定大學(xué)的Dhakshinamoorthy Sundaramurthi和Swaminathan Sethuraman團(tuán)隊(duì)概述了各種嵌入式生物打印策略以及嵌入式系統(tǒng)中使用的聚合物，這些聚合物在制造具有微米級分辨率的復(fù)雜血管化組織或器官模型方面具有優(yōu)勢、局限性和功效。此外，還討論了支撐浴系統(tǒng)的基本要求，還詳細(xì)闡述了使用支撐浴輔助打印方法打印的器官或復(fù)雜幾何形狀，設(shè)想了臨床轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)以及這些嵌入式生物打印模型取代天然器官的未來范圍。

相關(guān)論文“Embedded 3D bioprinting – An emerging strategy to fabricate biomimetic & large vascularized tissue constructs”于2023年10月21日在線發(fā)表于雜志《Bioactive Materials》上。

3D生物打印是一種新興的增材制造技術(shù)，其中生物墨水以逐層方式分配，以預(yù)定義的圖案生成三維物體。生物墨水是水凝膠、細(xì)胞和生物分子（生長因子）的混合物，有助于在打印過程中保護(hù)細(xì)胞，同時維持細(xì)胞功能。作者簡要列出了噴墨、激光和擠出生物打印方法及其特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之間的比較。

表1 不同生物打印技術(shù)之間的比較

嵌入式生物打印是一種新的增材制造技術(shù)，最初源自嵌入式3D打印，用于制造應(yīng)變傳感器，軟件機(jī)器人和復(fù)雜的器官模型。有幾種類型的嵌入式生物打印方法，例如全向打�。▓D1A），客體-宿主（Ghost）書寫（圖1B），顆粒凝膠培養(yǎng)基（圖2），懸浮水凝膠的自由形式可逆包埋（FRESH，圖2），嵌入式多材料擠出生物打�。▓D3），放置在瓊脂糖漿液懸浮液中的構(gòu)建體（CLASS，圖3），犧牲寫入功能組織（SWIFT，圖4），體積生物打�。▓D5），以及開發(fā)其他幾種自由形式的生物打印策略來打印復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖5-6）。此外，作者總結(jié)了不同嵌入式生物打印策略及其優(yōu)點(diǎn)之間的比較（表2）。

圖1 全向印刷工藝和客體-宿主（Ghost）書寫

圖2 顆粒凝膠和FRESH嵌入式生物打印策略的示意圖

圖3 使用多材料和CLASS嵌入式生物打印技術(shù)開發(fā)的構(gòu)造

圖4 基于SWIFT的嵌入式生物打印

圖5 涉及體積生物打印和流體支持的液體界面聚合（FLIP）的步驟

圖6 使用AAfB打印的示意圖和結(jié)構(gòu)

表2 不同嵌入式生物打印方法的優(yōu)勢

一般來說，功能性生物墨水和支撐浴必須具有互補(bǔ)的關(guān)系和獨(dú)特的流變特征，例如剪切-稀化特性、快速溶膠-凝膠過渡等，以印刷和保持具有形態(tài)和結(jié)構(gòu)完整性的印刷結(jié)構(gòu)。作者詳細(xì)討論了用于支撐槽的聚合物的關(guān)鍵特征，例如粘彈性、透明度、交聯(lián)能力、后處理和提取。之后，作者簡要分析了打印參數(shù)（如打印壓力，打印速度，噴嘴直徑，打印溫度，功能性生物墨水濃度和支撐浴材料濃度）對印刷和結(jié)構(gòu)的影響（圖7）。

圖7 優(yōu)化打印鏈寬度，用于組織/器官的生物制造

生物打印結(jié)構(gòu)需要通過與共價或非共價相互作用交聯(lián)來穩(wěn)定，以保持形狀保真度和機(jī)械穩(wěn)定性。由于弱水凝膠的表面張力，印刷結(jié)構(gòu)在印刷后會變形，需要同時添加交聯(lián)劑以保持形狀。目前常用的交聯(lián)方法有：離子交聯(lián)、酶促交聯(lián)和光交聯(lián)。

支撐浴材料對于防止打印的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的坍塌非常有幫助。一些研究報告了在支撐浴系統(tǒng)中使用各種合成材料，如Laponite，Carbopol，Pluronic F127和天然材料，如瓊脂糖，藻酸鹽，絲素蛋白和明膠，以使用基于擠出的生物打印來制造復(fù)雜的器官。

三維生物打印能夠高速打印具有可調(diào)機(jī)械性能的精確異細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)（如皮膚（圖8）、軟骨等）。然而，由于天然組織的復(fù)雜性和異質(zhì)性，很難打印大的空心管狀結(jié)構(gòu)和完整的器官�；�于支撐浴的方法有助于打印幾種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括螺旋形、Y形管狀結(jié)構(gòu)體、骨骼（圖9）、腎臟、心臟血管結(jié)構(gòu)和人腦等其它形狀（圖10），具有增強(qiáng)的形狀保真度。

圖8 通過嵌入式生物打印策略制作皮膚組織模型

圖9 通過嵌入式生物打印方法制造的骨骼和心臟模型

圖10 在嵌入式生物打印系統(tǒng)中打印不同的形狀

生物打印在再生醫(yī)學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用，包括用于植入的仿生和復(fù)雜組織制造。然而，此項(xiàng)技術(shù)還具有一些局限性（表3），相信通過科研人員的共同努力，生物打印會更好的為再生醫(yī)學(xué)服務(wù)。

表3 用于組織/器官制造的嵌入式生物打印的挑戰(zhàn)和未來展望

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.012