3D打印的纖維/細(xì)胞/水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)

供稿人:雷奇 賀健康

在體外精準(zhǔn)構(gòu)建仿生組織對修復(fù)受損的器官具有重要意義，利用生物3D打印技術(shù)可實現(xiàn)細(xì)胞/水凝膠結(jié)構(gòu)的三維成型，但由于水凝膠材料的限制，所構(gòu)建的三維結(jié)構(gòu)通常具有較差的力學(xué)性能，無法與人體組織的力學(xué)需求相匹配，一些研究人員通過澆灌的方法將水凝膠與靜電打印的纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起，顯著提高了水凝膠的力學(xué)性能，然而這種方法無法實現(xiàn)復(fù)雜組織中多材料多細(xì)胞的精準(zhǔn)構(gòu)建。

為了精準(zhǔn)構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的多細(xì)胞活性組織，Ruijter等[1]結(jié)合熔融靜電打印與細(xì)胞打印技術(shù)，成功打印出了具有一定力學(xué)強度、多種細(xì)胞精確排列的復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖1所示為纖維/水凝膠/細(xì)胞復(fù)合打印原理，首先利用熔融靜電打印工藝，使熔融的聚合物在電場力的作用下噴射出微米細(xì)絲，制備出纖維尺寸為13微米的網(wǎng)格，然后利用擠出式細(xì)胞打印工藝打印出所需的細(xì)胞和材料，所打印的細(xì)胞/水凝膠尺寸為200-400微米。圖2為利用復(fù)合工藝制備的多細(xì)胞分層復(fù)合結(jié)構(gòu)，該工藝實現(xiàn)了二維平面內(nèi)多種細(xì)胞的精確排布，以及三維結(jié)構(gòu)中多細(xì)胞的分層排列。所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有可控的孔隙率，從而有利于結(jié)構(gòu)內(nèi)部氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供給。力學(xué)測試結(jié)果表明，纖維增強的復(fù)合結(jié)構(gòu)顯著提高了水凝膠的壓縮模量。研究進一步論證了，在不同的靜電打印電壓幅值下，復(fù)合結(jié)構(gòu)中細(xì)胞活性保持在90%以上，在28天的培養(yǎng)過程中，復(fù)合結(jié)構(gòu)中細(xì)胞保持良好的活性和分化能力。

圖1. 纖維/水凝膠/細(xì)胞復(fù)合打印工藝

圖2 多細(xì)胞復(fù)合結(jié)構(gòu)

綜上所述，利用熔融靜電打印和細(xì)胞打印復(fù)合工藝可實現(xiàn)纖維和多種細(xì)胞的可控排布，所制備的纖維/細(xì)胞/水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)強度、高孔隙率和高細(xì)胞活性，有利于復(fù)雜再生組織的長期培養(yǎng)，為仿生組織的體外構(gòu)建提供了一種新方法。

參考文獻：
De Ruijter M, Ribeiro A, Dokter I, et al. Simultaneous Micropatterning of Fibrous Meshes and Bioinks for the Fabrication of Living Tissue Constructs [J]. Advanced healthcare materials, 2019, 8(7): 1800418.

供稿人:雷奇 賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室