嵌入式3D生物打印有望攻克復雜細胞組織結構

來源： EngineeringForLife

三維生物打印是一種先進的組織制造技術，允許通過逐層精確定位多種細胞類型來打印復雜的結構。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構。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-凝膠轉變將促進生物墨水沉積到微凝膠或顆粒支撐浴中。

近日，來自印度SASTRA認定大學的Dhakshinamoorthy Sundaramurthi和Swaminathan Sethuraman團隊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，還詳細闡述了使用支撐浴輔助打印方法打印的器官或復雜幾何形狀，設想了臨床轉化的挑戰(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，其中生物墨水以逐層方式分配，以預定義的圖案生成三維物體。生物墨水是水凝膠、細胞和生物分子（生長因子）的混合物，有助于在打印過程中保護細胞，同時維持細胞功能。作者簡要列出了噴墨、激光和擠出生物打印方法及其特點、優(yōu)點和缺點之間的比較。

表1 不同生物打印技術之間的比較

嵌入式生物打印是一種新的增材制造技術，最初源自嵌入式3D打印，用于制造應變傳感器，軟件機器人和復雜的器官模型。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雜的結構（圖5-6）。此外，作者總結了不同嵌入式生物打印策略及其優(yōu)點之間的比較（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開發(fā)的構造

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打印的示意圖和結構

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的關系和獨特的流變特征，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)和結構完整性的印刷結構。作者詳細討論了用于支撐槽的聚合物的關鍵特征，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）對印刷和結構的影響（圖7）。

圖7 優(yōu)化打印鏈寬度，用于組織/器官的生物制造

生物打印結構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械穩(wěn)定性。由于弱水凝膠的表面張力，印刷結構在印刷后會變形，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雜結構的坍塌非常有幫助。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雜的器官。

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

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)學中具有廣泛的應用，包括用于植入的仿生和復雜組織制造。然而，此項技術還具有一些局限性（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)學服務。

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