一種空氣輔助同軸噴射的高通量微凝膠生物制造方法

供稿人：梁拓、高琳
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
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

近日，賓夕法尼亞州立大學的研究團隊開發(fā)了一種簡單快速的方法，無需任何復雜或昂貴的耗材和配件，可用于細胞治療、組織再生和3D生物打印應用的可擴展高通量微凝膠制造。我們利用空氣輔助同軸裝置（ACAD）來生產(chǎn)含有細胞或無細胞的微凝膠。設(shè)備設(shè)置具有兩個同心布置的獨立噴嘴，聚合物溶液和空氣通過這些噴嘴流動。為了證明該工藝的多功能性，團隊制造了多種材料的微凝膠及其組合，包括海藻酸鹽（Alg），GelMA（GelMA）和海藻酸鹽-GelMA（Alg-GelMA）微凝膠。之后團隊對形成的微凝膠進行了多種應用的測試，包括它們在細胞封裝、生物打�。ㄗ鳛橹苯訑D出的生物墨水或作為嵌入式生物打印的支撐�。┖椭Ъ苤械膽�用。

（A）實驗裝置，包括連接到氣流的氣泵的同軸噴嘴和用于水凝膠流的注射泵（B）使用ACAD器件進行Alg，GelMA和Alg-GelMA凝膠生產(chǎn)微凝膠示意圖

圖1 微凝膠的高通量制造設(shè)備

團隊使用ACAD平臺成功制備了Alg，GelMA和Alg-GelMA的球形微凝膠。將前體聚合物溶液在40、60、100和180 kPa的不同壓力水平下擠出，并分析了微凝膠的尺寸和形狀。使用上述壓力水平制備的海藻酸鹽、GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠的明場圖像如圖2（A）所示。微凝膠呈球形形貌，彼此分離，無可見團聚。通過量化微凝膠的生產(chǎn)率來評估ACAD平臺的有效性。與海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelMA微凝膠相比，GelMA微凝膠的生產(chǎn)率顯著更高，如圖2（B）。海藻酸鹽、GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠的圓度分布范圍分別為0.2至1、0.5至1和0.2至1。然而，根據(jù)范圍的不同，GelMA的圓度被確定為明顯高于海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelM�？傮w而言，大多數(shù)Alg和GelMA微凝膠表現(xiàn)出～1的圓度，即完美的圓形，如圖2（C）。

（A）海藻酸鹽，GelMA和海藻酸鹽-GelMA微凝膠在不同氣壓水平下的顯微圖像 （B）微凝膠生產(chǎn)率 （C）對生成的微凝膠的圓度進行定量評估

圖2 無細胞微凝膠的形態(tài)學評估和物理表征

為了舉例說明制造微凝膠的實用性，團隊展示了三種不同的應用，包括細胞包封，生物打印（微凝膠的直接擠出及其用作支撐�。┖椭Ъ�。

在第一個應用中，團隊演示了細胞包封。將GFP MDA-MB-231細胞與母離子聚合物溶液結(jié)合后，生產(chǎn)細胞包封的微凝膠，如圖3（A）所示。發(fā)現(xiàn)所有三種微凝膠類型中MDA-MB-231細胞在微凝膠中的包封效率約為75%。此外，使用另一種細胞類型HDFs也證實了微凝膠的生物相容性和所提出的策略的可行性。

在第二個應用中，微凝膠被用作基于擠出的生物打印的生物墨水和支撐浴。根據(jù)流變特性和初步擠出測試，僅將GelMA微凝膠進一步評估為可打印的生物墨水，因為單獨的海藻酸鹽和海藻酸鹽-GelMA微凝膠不可擠出，因為它們顯示出水相分離，不會形成細絲，并導致噴嘴堵塞。懸掛長絲測試表明，GelMA微凝膠具有形成細絲的能力，這是生物打印所必需的，如圖3（B）所示。此外，將塊狀GelMA添加到GelMA微凝膠中顯著增加了懸掛長絲的最大長度，從而增加了用于擠出的生物墨水的穩(wěn)健性。

（A）細胞封裝 （B）生物墨水的長絲長度、熔融和可印刷性測試 （C）GelMA微凝膠包封的GFP MDA-MB-231細胞3D生物打印

圖3 微凝膠的實用性測試

此外，所提出的方法能夠制造3D復雜形狀的結(jié)構(gòu)。將MDA-MB-231細胞封裝在GelMA微凝膠中，然后將其加入GelMA主體中，所得生物墨水用于海藻酸鹽微凝膠作為支撐浴的三冠結(jié)構(gòu)的3D生物打印（圖3（C））。生物打印的冠狀結(jié)構(gòu)顯示出高保真度，即使在去除藻類微凝膠后，中空結(jié)構(gòu)也能保持其完整性而不會塌陷，這表明生物打印結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

參考文獻：
Pal V, Singh YP, Gupta D, Alioglu MA, Nagamine M, Kim MH, Ozbolat IT. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications. Biofabrication. 2023. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications - IOPscience