3D打印的纤维/细胞/水凝胶复合结构

供稿人:雷奇 贺健康

在体外精准构建仿生组织对修复受损的器官具有重要意义，利用生物3D打印技术可实现细胞/水凝胶结构的三维成型，但由于水凝胶材料的限制，所构建的三维结构通常具有较差的力学性能，无法与人体组织的力学需求相匹配，一些研究人员通过浇灌的方法将水凝胶与静电打印的纤维网格结构复合在一起，显著提高了水凝胶的力学性能，然而这种方法无法实现复杂组织中多材料多细胞的精准构建。

为了精准构建结构稳定的多细胞活性组织，Ruijter等[1]结合熔融静电打印与细胞打印技术，成功打印出了具有一定力学强度、多种细胞精确排列的复合结构。图1所示为纤维/水凝胶/细胞复合打印原理，首先利用熔融静电打印工艺，使熔融的聚合物在电场力的作用下喷射出微米细丝，制备出纤维尺寸为13微米的网格，然后利用挤出式细胞打印工艺打印出所需的细胞和材料，所打印的细胞/水凝胶尺寸为200-400微米。图2为利用复合工艺制备的多细胞分层复合结构，该工艺实现了二维平面内多种细胞的精确排布，以及三维结构中多细胞的分层排列。所制备的复合结构具有可控的孔隙率，从而有利于结构内部氧气和营养物质的供给。力学测试结果表明，纤维增强的复合结构显著提高了水凝胶的压缩模量。研究进一步论证了，在不同的静电打印电压幅值下，复合结构中细胞活性保持在90%以上，在28天的培养过程中，复合结构中细胞保持良好的活性和分化能力。

图1. 纤维/水凝胶/细胞复合打印工艺

图2 多细胞复合结构

综上所述，利用熔融静电打印和细胞打印复合工艺可实现纤维和多种细胞的可控排布，所制备的纤维/细胞/水凝胶复合结构具有较好的力学强度、高孔隙率和高细胞活性，有利于复杂再生组织的长期培养，为仿生组织的体外构建提供了一种新方法。

参考文献：
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 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室