Biomaterials：脱细胞基质墨水的无扫描连续光固化生物3D打印

来源： EngineeringForLife  

相比于传统的凝胶基生物墨水，脱细胞基质(dECMs)能更好地模拟细胞微环境，可以促进细胞生存、粘附、扩散、增殖、迁移、分化，以及组织形成和修复。但由于其物理特性不可调，导致可打印性不佳，所以在生物3D打印复杂功能仿生组织的应用中受到了限制。

近期，加州大学圣地亚哥分校Shaochen Chen团队提出了一种利用光交联的dECM生物墨水和数字光处理(DLP)的无扫描连续生物3D打印机来制造微尺度仿生组织的新方法。该方法可以在短短的几秒内生成非常复杂的细微结构，该研究通过使用DLP打印方法对hiPSCs衍生的细胞与组织匹配的dECM生物墨水进行制造，构建出了仿生人类心脏和肝脏的横纹肌和小叶肝结构，再通过生物物理线索引导自发的细胞重组进入预先设计好的结构中去，使细胞在打印结构中实现很好地生存和成熟。相关论文“Scanningless and continuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellular matrix”已发表在“Biomaterials”期刊上。

首先制备两种可光交联的dECM生物墨水：对于心脏组织结构其生物墨水成分为以PBS为溶剂含有5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) HdECM + 0.25% (w/v) LAP的最终溶液；对肝脏组织其生物墨水最终浓度为5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) LdECM + 0.25%(w/v) LAP。然后通过数字光处理(DLP)的生物3D打印机(图1)来制造基于组织特异性dECM的仿生微结构。本研究中基于光固化的生物3D打印过程使同时具有较好机械性能和高分辨率复杂的微尺度几何图形仅需几秒钟就可以生成。

图1 利用组织特异性hiPSCs构建dECM组织的快速3D生物打印技术.第一步：将人诱导型间充质干细胞分化为hiPSC-CMs和hiPSC-Heps，并分别与各自的组织特异性光交联dECM生物墨水相结合；第二步：每个组织的关键组织学特征被设计成数字模型输入到DLP生物3D打印机中，从而在几秒内创建具有微尺度的仿生微结构

本研究设计了两种不同的仿生模型，用来模拟天然心脏和肝脏的关键组织学特征(图2)。其中模拟心肌组织结构的图案为平行的等距线条，利用结构刺激来促进心肌组织的形成；模拟肝脏组织结构的图案为六角形的小结构。打印后的脱细胞组织结构具有高度的图案精度，并且在28天内表现出长期的保真度。心脏和肝脏dECM组织构建物的打印曝光时间是根据获得高分辨率和结构稳定性所需的最短时间来选择的。研究结果显示在打印的组织结构中，柔软的力学性能对于保证被包裹的细胞的扩散和重塑是非常重要的。研究中的每个组织类型所打印的微型脱细胞dECM结构与所建立的数字模型非常相似，其匹配尺寸能达到微米的量级。

图2 生物打印的仿生学模式的心和肝dECM组织结构 a）设计的仿生数字图案；b)对应的非细胞3D打印的心脏和肝脏组织结构外观；c）非细胞3D打印细节；d）种植细胞；e,f)打印产物宏观外形；g,h）28天内测量的溶胀率

活/死染色结果显示两种构建物的细胞存活率都很高(图3)，进一步的实验结果显示在没有外界刺激的情况下，心肌细胞在72h时恢复跳动。在肝脏组织构建中活/死染色染色结果也证实，在7d内，LdECM和I型胶原均保持了较高的细胞活力，并且具有相似的代谢活动水平。目前的研究表明，微尺度几何结构在细胞功能、迁移、分化和组织方面起着重要作用。其内在原因是通过细胞与周围环境的生物物理信号的相互作用，通过接触引导来调节的。本研究设计了两种单独的模式用于细胞化仿生心脏和肝脏组织构建的生物打印。组织特异性dECM生物墨水为支持与组织匹配的hiPSC衍生培养提供了良好的环境，从而HdECM和LdECM组织中细胞存活率都较高。hiPSC衍生细胞在它们的天然dECM提供的刺激环境中进行培养，以促进细胞成熟，而打印出的图案形状可根据细胞对其周围的生物物理环境有自然的感觉和反应，从而对其组织的发展实现诱导。本研究所制造的这些微结构反映了各种组织的详细几何形状，为促进组织特异性的形态学提供物理指导线索。

图3 在生物打印的dECM组织构建中培养的组织特异性hipscs衍生细胞的生存能力

总的来说，该研究通过将dECM生物墨水与基于DLP的3D生物打印技术相结合，提供了一种快速构建具有组织特异性生化成分、微尺度结构和可调整模量的仿生人体组织的新方法。研究所述的方法可用于开发适用于其他组织的特异性dECM生物墨水，用于合理设计具有组织样细胞密度、高分辨率的拓扑结构以指导细胞组织和良好控制机械性能的仿生组织。这些基于dECM的肝脏和心脏组织构建物可以为今后研究hiPSC衍生细胞在复杂仿生组织系统中的长期稳定性和功能成熟打开大门。后续的应用中该方法可用于合并多种细胞类型，创建基于dECM的异构组织结构，可以作为研究生物疾病机制、开发个性化药物以及诊断药物筛选应用的新途径。

论文连接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.12.009
参考文献：
1.Yu C , Ma X , Zhu W , et al. Scanningless andcontinuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellularmatrix[J]. Biomaterials, 2018.