3D 生物打印組織特異性高細胞密度生物墨水，實現多相組織生物制造

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在組織工程和再生醫(yī)學領域，3D生物打印技術憑借能夠制造復雜3D結構的優(yōu)勢備受關注。其中，高細胞密度生物墨水因能模擬天然組織微環(huán)境，在構建功能性組織方面展現出潛力，它通常由天然聚合物與大量細胞混合制備，為細胞提供支持環(huán)境。  

然而，當前該技術面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，生物材料在高細胞密度生物墨水中存在干擾細胞間直接接觸、與新組織形成不同步降解等問題；另一方面，現有的僅由細胞組成的生物墨水難以長時間支撐3D打印結構，或存在打印分辨率低、前期培養(yǎng)時間長、設備昂貴等弊端，且缺乏能制造和培養(yǎng)高分辨率單細胞組織的技術。  

來自美國伊利諾伊大學芝加哥分校的Oju Jeon和Eben Alsberg教授團隊合作，提出一種創(chuàng)新策略來解決這些痛點。他們將組織特異性高細胞密度生物墨水3D打印到光交聯可降解水凝膠微顆粒支撐浴中，制備出新型生物制造組織。通過在生物墨水中加入負載生長因子的明膠微顆粒，不僅實現生長因子的持續(xù)釋放和精準調控，還成功制備出多種組織特異性生物墨水，構建出如骨軟骨組織等多相組織。相關工作以“Biofabrication of engineered tissues by 3D bioprinting of tissue specific high cell-density bioinks”為題發(fā)表在《Materials Today》上。

研究內容
1. 通過制備組織特異性高細胞密度生物墨水并進行3D打印，研究其在光交聯藻酸鹽水凝膠微顆粒支撐浴中的打印性能、細胞分化及多相組織形成情況。結果表明，該生物墨水具有良好的流變學特性，打印的微絲具有高分辨率和形狀保真度，且在支撐浴中能實現細胞分化，成功構建出多相骨軟骨組織。

圖1. 組織特異性高細胞密度生物墨水配方及在OMA微凝膠支撐浴中3D打印的示意圖。

2. 通過動態(tài)流變學測試、分辨率分析和細胞分化實驗，研究組織特異性高細胞密度生物墨水的流變學性質、打印分辨率以及在不同條件下的細胞分化效果。結果顯示，該生物墨水具有剪切稀化、低剪切屈服應力和自愈合特性，打印的構建體形狀保真度高，經誘導能有效分化形成軟骨或骨組織。

圖2. 組織特異性高細胞密度生物墨水的表征。

3. 通過3D打印和組織學染色等方法，研究基于單個細胞的組織特異性高細胞密度生物墨水打印構建體的分辨率、形狀保真度及軟骨形成能力。結果表明，打印的微絲直徑分布窄，構建體形狀保真度高，在轉化生長因子-β1的作用下，能成功分化形成軟骨組織，與陽性對照組效果相似。

圖3. 3D打印構建體的分辨率、形狀保真度和軟骨分化的表征。

4. 通過交替打印成骨和軟骨生物墨水構建管狀結構，并進行組織學染色和成分分析，研究多相組織的形成情況。結果顯示，成功構建出由軟骨和骨組織組成的多相骨軟骨組織，且各組織區(qū)域的成分和功能符合預期，證明了利用該生物墨水構建多相組織的可行性。

圖4. 3D打印多細胞表型管及骨軟骨組織構建體的相關檢測。

5. 通過3D打印基于細胞聚集體的生物墨水并進行軟骨分化實驗，研究該生物墨水的打印性能和軟骨形成能力。結果表明，該生物墨水打印的結構具有高分辨率和形狀保真度，經軟骨分化后能形成軟骨組織，與陽性對照組無顯著差異，驗證了其在組織工程中的應用潛力。

圖5. 3D打印基于聚集體的生物墨水的相關檢測。

研究結論
本研究表明，天然組織和器官由多種細胞類型與細胞外基質按特定空間模式整合而成，多種生化和物理信號的時空呈現對細胞分化和成熟意義重大。本研究的組織特異性生物墨水系統(tǒng)，在探究生物活性信號空間呈現的作用方面潛力巨大。通過3D打印多種組織特異性高細胞密度生物墨水，可精確控制復雜多組織結構的形成。值得一提的是，該3D打印平臺首次實現了在高細胞密度生物墨水中對組織特異性生長因子的空間呈現，能精準調控細胞功能，誘導干細胞分化形成多細胞表型和多相組織，且形狀保真度高。這為利用高細胞密度生物墨水精確構建復雜多相組織開辟了新路徑，在組織工程和再生醫(yī)學領域極具應用前景，如用于患者特異性組織修復、疾病建模平臺開發(fā)和高通量藥物篩選等。后續(xù)研究將聚焦于優(yōu)化打印參數、促進構建體成熟及實現血管化，提升打印組織的功能和轉化潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.03.021