生物3D打印带介观孔隙结构的大尺寸体外组织

【背景】水凝胶固有的致密微观孔隙网络，营养/氧气供应能力有限，需额外引入营养输送网络以提高营养输送效率，满足细胞生长发育的需求。目前常见的带宏观孔隙的水凝胶结构打印，即宏观孔隙网络（≥1mm）结构打印，由于水凝胶强度比较低，打印大孔隙结构时宏观多孔结构易坍塌，导致大尺寸组织打印后内部营养不良。本研究中，我们继续推进大尺寸组织的体外构建，提出在水凝胶材料内构造介观尺度孔隙概念，孔隙范围100 μm-1 mm，介观孔隙可同时发挥营养/氧气供应和强度支撑作用，能兼顾生物性能和可打印性的要求（图1）。

图1 A) 多尺度孔隙在组织工程中的功能 B) 目前采用的致密水凝胶网络用于结构支撑；期望的是兼顾结构支撑和营养输送的介观尺度孔隙网络

我们设计了载牺牲微明胶生物墨水，实现了介观孔隙网络活性结构的高效打印。结构具有高保真度的同时，保持了较高的生物活性，细胞可在介观孔隙网络结构内发生类体内生长行为，如伸展、迁移、连接及组织新生等。

载牺牲微明胶生物墨水具体制备过程分三步（图2），i)将明胶溶液通过低温冷却完全凝胶化；ii) 通过打印用的喷头，将低温凝胶化的明胶平稳匀速的挤碎成微明胶颗粒，挤碎的同时直接挤至载有相应细胞的GelMA生物墨水，随后混合均匀；iii)将载有牺牲微明胶和细胞的GelMA生物墨水装入打印用的注射器，并冷却成可打印的预凝胶化生物墨水。值得注意的是，在冷却制备可打印的预凝胶化生物墨水过程中，装墨水的注射器要每隔20秒翻转一次，以确保细胞和牺牲微明胶混合均匀。

图2 载微明胶GelMA预凝胶化生物墨水制备过程

利用载牺牲微明胶生物墨水，可实现介孔营养网络结构打印（图3）。

 图3 打印的介观孔隙网络结构

通过调整不同挤出喷头制备不同尺寸的微明胶，可以实现具有不同尺寸孔隙结构的打印。此外，调整预凝胶生物墨水中的微明胶比例，可以实现不同孔隙率结构打印。（图4）

图4 不同孔隙尺寸，不同孔隙率结构的打印

此外，由于牺牲微明胶和GelMA相互协同工作，增强了整个生物墨水体系的可打印性，能够容易的实现复杂结构的打印，图5,6所示。

图5 二维复杂介观孔隙网络结构打印

图6 三维复杂介观孔隙网络结构打印

为了模拟生物体内细胞或细胞外基质组成多样性，我们还模拟制造了多细胞或多材料组织结构。如图7所示，采用多合一喷头装置，可以切换多种载细胞材料进行打印。打印时，选择性的通入目标载细胞材料，可以打印出多组分介观孔隙网络结构。

图7 多组分介观孔隙网络结构打印

为了验证介观孔隙网络能有效的传输营养/氧气，促进细胞存活及组织的再生，我们打印了载细胞的介观孔隙网络结构(10 mm × 10 mm × 10 mm)，并观察结构体内的细胞生长状况，如图8所示，细胞在介观孔隙网络结构内逐渐伸展、迁移并连接，验证了介观孔隙网络传输营养/氧气的有效性。

图4.23 细胞在多孔结构内自由伸展、迁移、连接形成活性组织结构体

利用载牺牲微明胶生物墨水，直接打印高生物活性介观孔隙网络结构，能有效的促进细胞存活及活性组织形成。牺牲微凝胶可通过自适应的制造方式制备，微凝胶尺寸高度可控，打印时不会堵塞喷头，同时打印结构的孔隙尺寸、孔隙率等均可控。同时，由于牺牲微凝胶与载细胞墨水协同相互作用，增强了整个墨水体系的可打印性，利于结构的高效打印。此外，我们设计的多合一喷头用于打印多材料异质结构，使复杂异质组织结构的制造成为可能。

相关论文“Sacrificial microgel‑laden bioink‑enabled 3D bioprinting of mesoscale pore networks”近日刊登在Bio-Design and Manufacturing杂志上。第一作者为邵磊博士生，通讯作者为贺永教授，浙二医院的刘震杰医生，高庆博士为共同通讯。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42242-020-00062-y