清华《AFM》：3D打印载细胞的高保真微凝胶双相生物墨水

颗粒在线讯：生物打印因其能够精确地将细胞和材料(即生物墨水)沉积到3D复杂结构中而引起人们的极大兴趣，在工程体外生命系统中的应用可用于疾病建模和组织再生。到目前为止，已经开发了各种生物打印技术，例如喷墨生物打印和基于数字光处理(DLP)的生物打印。其中，最常见的方式是挤压生物打印，其中生物墨水需要挤压然后快速稳定。3D挤压生物打印的一个主要挑战是生物墨水的数量有限，这些墨水满足了具有必要流变特性的适印性和具有所需微环境的功能的相反要求。

来自清华大学的学者通过开发一种通用策略来解决这一限制，该策略用于配制基于细胞的微凝胶(MB)生物墨水。MB生物油墨包括两个组分，即紧密堆积状态的微凝胶为挤压生物印刷提供优异的流变性能，以及形成第二聚合物网络以将微凝胶整合在一起的水凝胶前体，从而提供印刷后结构稳定性。这一策略可以将一系列水凝胶打印成形状保真度高的复杂结构。MB生物油墨具有极好的机械可调性而不会影响印刷性能，并且具有超强的弹性和卓越的循环压缩和拉伸耐久性。此外，MB生物墨水的微凝胶和水凝胶前体可以包裹不同类型的细胞，共同创造一个微尺度的异质细胞微环境。利用MB生物墨水对肝细胞和内皮细胞进行空间构图，成功地诱导了细胞的重组和血管化，从而增强了肝功能。本文提出的MB生物墨水扩展了现有生物墨水的调色板，并为组织工程和软机器人等生物医学应用打开了无数机会。相关文章以“3D Printing of Cell-Laden Microgel-Based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202109810

图1. 负载细胞的MB生物墨水的制造和3D打印。a)水凝胶生物墨水和MB生物墨水示意图。b)使用MB生物墨水的3D打印网状结构。c)MB生物墨水，以微凝胶(5.0wt%GelMA，红色荧光标记)为离散相，第二聚合物网络(5.0wt%GelMA，绿色荧光标记)为连续相。d)逐步说明MB生物墨水的制造过程。钙调素-AM/PI染色显示C2C12S微凝胶活性高。

图2.MB生物墨水的流变特性和组成的多样性。a)纯水凝胶生物墨水和MB生物墨水的示意图。b)纯水凝胶、MB墨水和JM墨水(均含有5.0wt%GelMA)的流变特性均随剪切速率的增加而降低(0-50 s−1)。c)流变特性表明MB墨水和JM墨水的剪切模量与温度无关，而GelMA水凝胶有临界的凝胶-溶胶相变点。微凝胶含量分别为80%、85%和95%的MB生物油墨的流变特性显示：d)剪切变稀特性，e)应变屈服随应变增加(0-300%，1Hz)，以及f)通过低(无阴影，1%应变，1 Hz)和高(阴影，300%应变，1 Hz)应变循环进行自愈。

图3.使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度。a-i)MB生物墨水的细丝挤出和ii)共聚焦显微镜下的放大观察，微凝胶(5.0wt%GelMA)标记为红色荧光，第二水凝胶(5.0wt%GelMA)标记为绿色荧光。b)3D打印网状结构i)使用MB生物墨水，具有放大视图ii)在交叉口。c)3D打印双环i)在可见光(405Nm)曝光时交联，与GelMA微凝胶ii)在共聚焦显微镜下的图像。d)3D打印管状结构(左视图、俯视图；右视图、侧视图)。

图4.MB生物墨水印刷构件的机械特性。a)典型的应力-应变曲线和b)分别使用5wt%GelMA水凝胶、MB墨水和JM墨水的印刷圆柱体的压缩弹性模量。c)使用JM油墨在60%应变下进行20次压缩循环的印刷圆柱体的循环耐久性试验。d)使用60%应变的MB墨水在1000次压缩循环中对印刷圆筒进行循环耐久试验。

图5.3D打印可调节异质微环境的血管化肝组织结构。a)每种类型细胞的示意图，即HepG2(红色)和HUVECs(绿色)，水凝胶生物墨水和含7.5wt%GelMA的MB生物墨水的细胞空间排列。b)在i)第1天和ii)第3天使用水凝胶生物墨水在印刷纤维内的HepG2(红色)和HUVECs(绿色)细胞，用白色虚线表示印刷纤维的边界。c)第一天和第三天使用MB生物墨水的印刷纤维内的HepG2(红色)和HUVECs(绿色)细胞。

图6.肝功能和肝脏特异性基因和蛋白表达水平的评估。a)CCK-8比色法测定细胞增殖。b)酶联免疫吸附试验(ELISA)分析白蛋白分泌。c)用酶联免疫吸附试验(ELISA)分析尿素产量。d)CYP3A4和CYP1A1酶活性分析。e)在第10天比较纯GelMA水凝胶和MB生物墨水印制的肝构建物的ALB、TTR和AFP表达水平。

总之，本文引入了细胞负载微凝胶双双相(MB)生物墨水的概念，作为3D挤压生物打印的通用策略。MB生物墨水由细胞包裹的微凝胶组成，这些微凝胶被堵塞并通过第二个交联聚合物网络连接。这种方法利用MB生物墨水的流变特性(即剪切变稀、屈服应力和自恢复)提供了延长的生物制造窗口，从而具有优异的生物印刷能力。本文打印了包括鼻子、耳朵、支气管和脑模型在内的3D复杂结构，形状逼真。此外，MB生物油墨在机械性能上具有很好的可调性，并且不牺牲其印刷性能，而且表现出超弹性行为、卓越的循环压缩和拉伸耐久性。总体而言，MB生物墨水具有机械可调谐、超弹性和异质微环境的设计灵活性，为组织工程和软机器人等生物医学应用中的3D生物打印打开了新的可能性。