體素化生物3D打印技術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，它們是構成三維生物結構的基本元素。

什么是體素化生物打印技術呢？
體素化生物打印技術是一種先進的制造方法，它使用三維空間中的體素（voxel）作為基本構建單元來創(chuàng)建復雜的生物結構。這種技術在生物醫(yī)學工程和組織工程中具有重要的應用潛力。

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

（2）多材料打�。涸摷夹g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)字模型來指導打印過程，這意味著可以從計算機輔助設計（CAD）模型直接制造出三維生物結構。

（4）生物制造：體素化生物打印技術是生物制造領域的一個重要分支，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的發(fā)展為生物醫(yī)學領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雜三維組織模型。隨著技術的進步，未來可能會出現(xiàn)更多創(chuàng)新的生物打印應用。   

數(shù)字組裝球形粒子（DASP）技術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)建三維結構。弗吉尼亞大學蔡歷恒團隊利用DASP 2.0技術，通過使用雙網絡（DN）結構的生物墨水，可以創(chuàng)建具有改進機械性能和可調性的水凝膠，這對于模擬自然組織的特性至關重要。

DASP 2.0技術通過設計和合成帶有四氮唑（TZ）和降冰片烯（NB）基團的PAM聚合物，實現(xiàn)了無需添加劑的點擊化學反應，形成網絡結構。研究者們系統(tǒng)研究了交聯(lián)動力學和剛度對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驗觀察到的行為。此外，研究者們開發(fā)了多通道打印噴頭，以實現(xiàn)高粘彈性生物墨水的按需混合，且不顯著損害細胞活性。   

圖1 由模塊化雙網絡生物墨水制成的數(shù)字球形粒子組裝(DASP)

DASP 2.0技術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力的支撐基質中均勻生長。通過剪切測試，研究者們發(fā)現(xiàn)單獨的PAM10溶液和Alg2溶液的粘度不足以滿足DASP打印的要求，但當它們結合形成生物墨水時，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)導致的堵塞問題，研究者們設計了一個具有靜態(tài)混合室的雙入口打印噴頭，通過實時監(jiān)控驗證了其混合能力。   

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

通過對雙網絡 gyroid結構進行循環(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60%的壓縮應變，并且在釋放應力后完全恢復到原始高度，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構的支架，這些特性對于創(chuàng)建功能性的三維生物組織構建物具有重要意義。

圖2 3D打印雙網絡（DN）水凝膠

DASP 2.0技術通過使用改進的雙網絡生物墨水和特制的三通道打印噴頭，實現(xiàn)了細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)傳輸能力和機械穩(wěn)健性。利用Beta-TC-6細胞系進行的實驗表明，DASP 2.0技術能夠在打印過程中保持細胞的高存活率和功能，同時在體內環(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)學研究中應用的巨大潛力。  

圖3 DASP打印的聚丙烯酰胺/海藻酸鹽(PAM/Alg)雙網絡支架的細胞相容性和體內穩(wěn)定性

透明質酸/海藻酸鹽雙網絡水凝膠的細胞相容性測試顯示，封裝的Beta-TC-6細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)應用的標準。此外，將DASP打印的HA/海藻酸鹽雙網絡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，表明這些支架具有足夠的機械強度，能夠維持長期的體內穩(wěn)定性。這些結果表明，(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)模塊化的雙網絡生物墨水。

圖4 一種透明質酸/海藻酸(HA/Alg)雙網絡生物墨水的機械性能、可打印性和生物相容性

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


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