通過(guò)同軸犧牲打印將仿生血管網(wǎng)絡(luò)嵌入功能組織

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

打印充滿仿生血管網(wǎng)絡(luò)的人體組織和器官越來(lái)越引起人們的興趣。雖然可以在非細(xì)胞和密集細(xì)胞基質(zhì)中嵌入可灌注通道，但目前還不具有在天然血管中發(fā)現(xiàn)的仿生結(jié)構(gòu)。近日，美國(guó)哈佛大學(xué)Jennifer A. Lewis、Sebastien G.M. Uzel開(kāi)發(fā)了一種嵌入式生物打印方法—同軸犧牲寫(xiě)入功能組織（co-SWIFT），能夠在顆粒狀水凝膠和密集的細(xì)胞基質(zhì)中產(chǎn)生分層分支的多層血管網(wǎng)絡(luò)。在同軸打印頭部設(shè)計(jì)了擴(kuò)展的核殼配置，以促進(jìn)在嵌入式生物打印期間打印分支血管之間強(qiáng)大的核-核和殼相互連接。使用優(yōu)化的核殼油墨組合，仿生血管由一個(gè)充滿平滑肌細(xì)胞的外殼組成，圍繞著可灌注的管腔，被同軸打印成顆粒基質(zhì)，由：1）透明的海藻酸鹽微粒，2）犧牲的含微粒的膠原蛋白，或3)來(lái)自人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的心臟球狀體組成。具有良好屏障功能的仿生血管通過(guò)在這些相互連接的管腔內(nèi)植入一層融合的內(nèi)皮細(xì)胞而產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，co-SWIFT心臟組織在灌注下成熟，同步跳動(dòng)，并在體外表現(xiàn)出對(duì)心臟有效的藥物反應(yīng)。本研究為用于藥物測(cè)試、疾病建模和治療使用的可擴(kuò)展的生物制造開(kāi)辟了新途徑。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Embedding Biomimetic Vascular Networks via Coaxial Sacrificial Writing into Functional Tissue”為題于2024年8月2日發(fā)表在《Advanced Materials》。   

圖1 功能組織中的同軸犧牲書(shū)寫(xiě)（co-SWIFT）

本研究首先設(shè)計(jì)了一種新型的同軸打印頭，由一個(gè)擴(kuò)展的核殼噴嘴和兩個(gè)獨(dú)立可控的核和殼油墨流體路徑組成（圖1a）。將核心噴嘴延伸到外殼噴嘴之外，這對(duì)于確保同軸噴嘴刺穿殼層在分支和重新連接過(guò)程中形成母血管之間的核-核和殼-殼連接至關(guān)重要（圖1b-e）�？梢允褂脭U(kuò)展的核心來(lái)刺穿絲狀特征的殼壁以創(chuàng)建一個(gè)分支點(diǎn)（圖1d）。在擠壓核和殼油墨時(shí)，再次使用擴(kuò)展的核噴嘴刺穿打印細(xì)絲的殼體（圖1e i）。也可以通過(guò)以類(lèi)似的方式連接打印的同軸燈絲的活動(dòng)端來(lái)形成連接（圖1e ii）。依次進(jìn)行同軸互連以建立越來(lái)越復(fù)雜的分支血管網(wǎng)絡(luò)。   

圖2 co-SWIFT的核、殼和矩陣優(yōu)化

本研究制定了犧牲品明膠核油墨，使其剪切變薄行為和τy≈50 Pa與顆粒狀海藻酸鹽基質(zhì)相匹配（圖2a）。每個(gè)核-殼油墨組合都可以在這個(gè)矩陣的垂直方向上成功打�。▓D2b）。為了模擬天然的血管系統(tǒng)，本研究打印了不同直徑的同軸血管，它們具有符合Murray定律的三代分支特征（圖2c）。圖2d顯示了打印血管的橫斷面圖像，在每一代中都保持同軸核-殼結(jié)構(gòu)。為了制備總直徑大于3 mm到小于1 mm的血管，改變打印速度的同時(shí)以恒定的體積流量擠壓核和殼油墨（圖2e）。   

圖3 打印仿生血管的內(nèi)皮化

嵌入的血管由具有三維模式且符合Murray定律的一個(gè)分層的分支網(wǎng)絡(luò)組成（圖3a-c）。打印后，將組織結(jié)構(gòu)加熱到37°C，以促進(jìn)殼狀膠墨和μPOROS基質(zhì)中的膠原凝膠化并交聯(lián)，同時(shí)熔化犧牲的明膠核心（紅色）（圖3b）。將帶血管化的基質(zhì)灌注PBS（藍(lán)色），以顯示其相互連接的管腔網(wǎng)絡(luò)（圖3c）。為進(jìn)一步提高生理相關(guān)性，本研究打印了一個(gè)仿生血管網(wǎng)絡(luò)，含SMC的殼墨水組成，圍繞著μPOROS基質(zhì)中犧牲的明膠核心墨水（圖3d）。灌注第7天，平滑肌細(xì)胞保持存活、擴(kuò)散并環(huán)繞血管壁，類(lèi)似于原生內(nèi)側(cè)層的形態(tài)（圖3e、f）。內(nèi)皮細(xì)胞排列在一個(gè)融合的單層中，并伴有粘附的連接（圖3g-i）。然后進(jìn)行Miles實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估其屏障功能，結(jié)果顯示：與裸（對(duì)照組）血管相比，具有融合內(nèi)皮的血管中的染料擴(kuò)散減少3倍（圖3j）。  


圖4 通過(guò)co-SWIFT制造血管化的心臟組織

本研究使用離心法將心臟器官構(gòu)建塊（OBBs）擠進(jìn)到一個(gè)密集的細(xì)胞粘彈性基質(zhì)中（圖4a）。首先制作了圓柱形心臟組織，其中有一個(gè)嵌入的核殼血管，懸掛在彈簧臂之間（圖4a-h）。與SWIFT相比，co-SWIFT心臟組織的血管腔圓度值高出近兩倍（圖4b、c）。灌注一天后，對(duì)co-SWIFT速心臟組織進(jìn)行活-死實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示它們?cè)谡麄�(gè)橫截面上具有較高的細(xì)胞活力（圖4d）。灌注第7天，包埋的血管由一層被平滑肌細(xì)胞包圍的融合的內(nèi)皮細(xì)胞組成（圖4e）。灌注第5天，co-SWIFT心臟組織開(kāi)始同步收縮（圖4f）。重要的是，這些組織也表現(xiàn)出對(duì)心臟有效的藥物反應(yīng)。在灌注濃度為10×10−6M的含異丙（去甲）腎上腺素的含氧培養(yǎng)基培養(yǎng)后，觀察到它們的自發(fā)跳動(dòng)頻率翻倍。相比之下，含有10×10−6M blebbistatin介質(zhì)的灌注可抑制這些心臟組織的跳動(dòng)（圖4g、h）。為進(jìn)行可視化，本研究將初始分支和完整的動(dòng)脈結(jié)構(gòu)打印到透明海藻酸鹽基質(zhì)和密集細(xì)胞的心臟OBB基質(zhì)中（圖4j-k）。   


全文小結(jié)
總之，本研究建立了第一個(gè)基于同軸的生物打印方法，能夠?qū)⒎种�、多層血管網(wǎng)絡(luò)嵌入到脫細(xì)胞和密集的細(xì)胞組織基質(zhì)中。為證明廣泛的適用性，本研究定制了核、殼和基質(zhì)材料的流變學(xué)特性，用于在顆粒狀藻酸鹽、微孔結(jié)構(gòu)膠原和心臟球狀基質(zhì)中打印。通過(guò)設(shè)計(jì)、制造和實(shí)現(xiàn)定制的擴(kuò)展核殼噴嘴，證明了可以產(chǎn)生由圍繞犧牲核心油墨的負(fù)載平滑肌細(xì)胞殼式油墨組成的分層分支血管。這種網(wǎng)絡(luò)具有相互連接的腔，這些腔被平滑肌細(xì)胞包裹，并植入內(nèi)皮細(xì)胞，形成融合的內(nèi)皮，提供良好的屏障功能。最后，本研究創(chuàng)建了嵌入仿生血管的心臟組織，其設(shè)計(jì)以患者特異性數(shù)據(jù)為指導(dǎo)。本研究工作為在軟、活組織結(jié)構(gòu)中嵌入仿生血管網(wǎng)絡(luò)提供可能。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/adma.202401528