體素化生物3D打印技術(shù)為海藻酸鹽生物墨水增添“buff”加成

來源： EngineeringForLife

體素是三維空間中的最小單位，類似于二維圖像中的像素。在體素化生物打印中，體素可以是小的立方體或球形顆粒，它們是構(gòu)成三維生物結(jié)構(gòu)的基本元素。

什么是體素化生物打印技術(shù)呢？
體素化生物打印技術(shù)是一種先進(jìn)的制造方法，它使用三維空間中的體素（voxel）作為基本構(gòu)建單元來創(chuàng)建復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程和組織工程中具有重要的應(yīng)用潛力。

體素化生物打印技術(shù)如何增添“buff”加成？
（1）精確控制：體素化生物打印技術(shù)允許對每個體素的位置和體積進(jìn)行精確控制，這有助于創(chuàng)建具有特定形狀和功能的復(fù)雜三維生物結(jié)構(gòu)。

（2）多材料打�。涸摷夹g(shù)能夠處理多種材料，包括不同的生物墨水，這些墨水可以是細(xì)胞、生長因子或其他生物分子的載體。

（3）數(shù)字組裝：體素化生物打印通常依賴于數(shù)字模型來指導(dǎo)打印過程，這意味著可以從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型直接制造出三維生物結(jié)構(gòu)。

（4）生物制造：體素化生物打印技術(shù)是生物制造領(lǐng)域的一個重要分支，它允許創(chuàng)建用于組織工程的支架、藥物遞送系統(tǒng)和生物假體等。

體素化生物打印技術(shù)的發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了新的可能性，特別是在個性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)方面，例如通過創(chuàng)建個性化的組織替代品或用于藥物測試的復(fù)雜三維組織模型。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來可能會出現(xiàn)更多創(chuàng)新的生物打印應(yīng)用。   

數(shù)字組裝球形粒子（DASP）技術(shù)是體素化生物打印的一個例子，它通過在水凝膠中嵌入高粘彈性的水滴來創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)。弗吉尼亞大學(xué)蔡歷恒團(tuán)隊(duì)利用DASP 2.0技術(shù)，通過使用雙網(wǎng)絡(luò)（DN）結(jié)構(gòu)的生物墨水，可以創(chuàng)建具有改進(jìn)機(jī)械性能和可調(diào)性的水凝膠，這對于模擬自然組織的特性至關(guān)重要。

DASP 2.0技術(shù)通過設(shè)計(jì)和合成帶有四氮唑（TZ）和降冰片烯（NB）基團(tuán)的PAM聚合物，實(shí)現(xiàn)了無需添加劑的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究者們系統(tǒng)研究了交聯(lián)動力學(xué)和剛度對NB/TZ比例及聚合物濃度的依賴性，并通過理論模型很好地描述了實(shí)驗(yàn)觀察到的行為。此外，研究者們開發(fā)了多通道打印噴頭，以實(shí)現(xiàn)高粘彈性生物墨水的按需混合，且不顯著損害細(xì)胞活性。   

圖1 由模塊化雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水制成的數(shù)字球形粒子組裝(DASP)

DASP 2.0技術(shù)需要使用高粘度和剪切變稀的生物墨水，以確保在打印過程中，擠出的液滴能在具有屈服應(yīng)力的支撐基質(zhì)中均勻生長。通過剪切測試，研究者們發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的PAM10溶液和Alg2溶液的粘度不足以滿足DASP打印的要求，但當(dāng)它們結(jié)合形成生物墨水時，粘度顯著增加到17.1 Pa·s，同時保持剪切變稀特性，適合DASP打印。為了避免快速交聯(lián)導(dǎo)致的堵塞問題，研究者們設(shè)計(jì)了一個具有靜態(tài)混合室的雙入口打印噴頭，通過實(shí)時監(jiān)控驗(yàn)證了其混合能力。   

利用DASP 2.0技術(shù)，研究者們成功打印出了一個類似覆盆子的空心球結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)由單層相互連接但可區(qū)分的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠粒子組成，展示了DASP 2.0在體素化生物打印方面的先進(jìn)能力。此外，研究者們還證明了DASP 2.0可以輕松轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的一維（1D）基于絲材的生物打印，如成功打印的gyroid立方結(jié)構(gòu)，這是一種高度多孔的結(jié)構(gòu)，由相互連接的通道和空隙網(wǎng)絡(luò)組成。

通過對雙網(wǎng)絡(luò) gyroid結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)壓縮測試，研究者們發(fā)現(xiàn)它能夠在不破裂的情況下承受高達(dá)60%的壓縮應(yīng)變，并且在釋放應(yīng)力后完全恢復(fù)到原始高度，顯示出彈性、非耗散的行為，這在八個循環(huán)壓縮過程中保持一致。這些結(jié)果表明，DASP打印的生物墨水能夠制造出高度可變形、彈性、非耗散且具有多尺度多孔結(jié)構(gòu)的支架，這些特性對于創(chuàng)建功能性的三維生物組織構(gòu)建物具有重要意義。

圖2 3D打印雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠

DASP 2.0技術(shù)通過使用改進(jìn)的雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水和特制的三通道打印噴頭，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞封裝和三維多尺度多孔支架的打印，這些支架具有高效的營養(yǎng)傳輸能力和機(jī)械穩(wěn)健性。利用Beta-TC-6細(xì)胞系進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，DASP 2.0技術(shù)能夠在打印過程中保持細(xì)胞的高存活率和功能，同時在體內(nèi)環(huán)境中展現(xiàn)出卓越的長期穩(wěn)定性和可回收性，證明了其在臨床移植和生物醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用的巨大潛力。  

圖3 DASP打印的聚丙烯酰胺/海藻酸鹽(PAM/Alg)雙網(wǎng)絡(luò)支架的細(xì)胞相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性

透明質(zhì)酸/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的細(xì)胞相容性測試顯示，封裝的Beta-TC-6細(xì)胞在打印后三天的存活率保持在80%以上，這比PAM/海藻酸鹽生物墨水的60%有顯著提高，并滿足了大多數(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。此外，將DASP打印的HA/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)格子狀支架移植到小鼠腹腔后，30天后取出的支架完整性得到了確認(rèn)，表明這些支架具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠維持長期的體內(nèi)穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明，(A + B)/C水凝膠的概念為DASP打印提供了一種通用策略，用于開發(fā)模塊化的雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水。

圖4 一種透明質(zhì)酸/海藻酸(HA/Alg)雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水的機(jī)械性能、可打印性和生物相容性

總體而言，本文介紹了DASP 2.0技術(shù)，一種創(chuàng)新的體素化生物打印方法，用于制造具有高度細(xì)胞相容性和機(jī)械穩(wěn)健性的雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠支架。DASP 2.0利用無添加劑點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，通過精確控制的生物墨水交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了在三維空間中按需組裝復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。雖然最初的PAM/海藻酸鹽雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水細(xì)胞相容性有限，但研究者們通過引入透明質(zhì)酸（HA），一種更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的天然多糖，克服了這一挑戰(zhàn)。DASP 2.0技術(shù)為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一種新的工具，用于創(chuàng)建高度復(fù)雜且有序的三維組織結(jié)構(gòu)，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用開辟了新的可能性。


文章來源：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49705-z