功能化海藻酸鈉墨水細胞靜電打印微米精度活性結構改善細胞鋪展與定向效果

供稿人：邱鎮(zhèn)南、賀健康
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（3D打印）分會

生物打印技術在組織工程和再生醫(yī)療中有巨大的應用前景，但傳統(tǒng)生物打印技術由于精度的限制在精確復現(xiàn)自然組織中細胞復雜排列結構方面仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，一種利用電流體動力學效應打印出微米級別水凝膠纖維的細胞靜電打印技術被提出，其在保證細胞活性的前提下極大提高了打印分辨率。但適用于細胞靜電打印技術同能支持細胞鋪展的生物墨水體系有待進一步研究。該論文的研究工作通過化學修飾RGD、混合牛纖維蛋白原及添加PEO，得到了適用于細胞靜電打印工藝的功能化海藻酸鈉墨水。

如圖3所示，相較于改性前的純海藻酸鈉墨水，細胞在打印的功能化海藻酸鈉墨水結構中的鋪展率有顯著提高。在改善生物活性的基礎上，通過優(yōu)化擠出流量、打印移動速度和接收距離等細胞靜電打印工藝參數(shù)，打印水凝膠纖維結構的分辨率從50μm提高到了30μm（如圖3所示）。細胞在該尺度下的凝膠結構中沿著纖維方向生長，表現(xiàn)出顯著提高的細胞定向率。總的來說，該研究所建立的功能化海藻酸鈉墨水體系使得細胞靜電打印技術在原有的基礎上進一步提高了細胞活性和打印分辨率，為精確復現(xiàn)自然組織的復雜微觀結構提供了新的技術途徑。

圖1 功能化海藻酸鈉墨水改性與細胞靜電打印定向活性結構示意圖

圖2 改性后的功能化海藻酸鈉墨水提高了細胞鋪展性能。ALG：海藻酸鈉墨水；ALG/FIB：海藻酸鈉與牛纖維蛋白原混合墨水；RGD-ALG：化學修飾RGD的海藻酸鈉墨水；RGD-ALG/FIB：化學修飾RGD海藻酸鈉與牛纖維蛋白原混合墨水

圖3 添加PEO后功能化海藻酸鈉墨水靜電打印水凝膠結構分辨率達到30μm以下。a 含不同濃度PEO功能化海藻酸鈉墨水靜電打印田字格水凝膠結構；b 含有不同濃度PEO的功能化海藻酸鈉墨水在優(yōu)化工藝參數(shù)后能夠達到的最小線寬；c 靜電打印10層水凝膠田字格結構的光鏡圖

圖4 細胞靜電打印不同墨水的水凝膠結構中細胞的活性與定向效果。a 海藻酸鈉墨水打印纖維線寬50μm田字格結構中細胞基本不鋪展呈現(xiàn)球狀；b RGD-ALG/FIB墨水打印的50μm線寬田字格結構中大部分細胞鋪展并有一定的定向趨勢；c RGD-ALG/FIB/PEO墨水打印的30μm線寬田字格結構中細胞鋪展并沿凝膠纖維定向生長；d 以上結構中細胞的存活率統(tǒng)計結果；e 以上結構中細胞的定向率統(tǒng)計結果

參考文獻：
Qiu Z, Zhu H, Wang Y, et al., 2022. Functionalized alginate-based bioinks for microscale electrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment. Bio-des Manuf (Early Access). https://doi.org/10.1007/s42242-022-00225-z