AFM: 双喷头挤出3D打印复杂孔道GelMA水凝胶用于血管模型和微流体灌注培养

来源： EngineeringForLife  

基于血管网络在输送营养、氧气和信号因子及实时调节组织所需温度和pH值的重要作用，通过组织工程手段构建血管三维网络结构将对组织修复、细胞治疗和药物筛选的应用和研究具有重要意义。在构建血管组织工程支架的应用方法中，3D生物打印使不同生物功能成分（如种子细胞、细胞外基质及生物因子等）在时间和空间上的可控沉积成为可能。例如利用同轴生物打印仿生中空的纤维结构，以此来作为血管导管，但该构建方法难以制备出内部连通的血管网络；或利用3D生物打印直接构建富有微孔和通道的网络结构，但该结构中有序的孔洞容易导致网络框架的不稳定及底部孔洞的变形等；或利用牺牲墨水（糖、PF127等）在预打印好的支架中形成贯穿的网络结构，但该打印方法操作效率低，对负载的内皮细胞也存在潜在的细胞毒性。

近期，为了克服以上构建三维构建血管网络方法的缺点，以明胶和GelMA作为3D打印的生物墨水，伦敦帝国理工学院生物医学工程研究所Molly M.Stevens团队在Advanced functional materials上发表题为“Void-Free 3D Bioprinting for In Situ Endothelialization and Microfluidic Perfusion”的文章，如图1A图所示，研究者以温敏的明胶基生物墨水作为可打印的牺牲模板，以可光交联的GelMA作为填充细胞外基质模板。37℃下，明胶自发溶解形成贯穿的血管网络框架。

图1 无孔隙构建3D血管网络凝胶支架的示意图及凝胶结构图

以浓度分别为7.5 wt%的明胶和5 wt% GelMA作为生物墨水，研究者对比了直接3D打印法和无孔隙3D打印法构建带有孔隙结构的GelMA凝胶网络。实现发现无孔隙3D打印法的可打印性更强，凝胶的网络结构更加稳定。且该打印方法也适用于其他生物墨水的3D打印，如双键改性的透明质酸等（图2）。

图2 直接3D打印和无孔隙3D打印的可打印性对比测试图

研究者以人皮肤成纤维细胞（HDF）和人脐静脉血管内皮细胞（HUVECs）为细胞模型，探究凝胶支架中负载细胞的生物活性内皮化进程。研究者将HUVECs预先装载入明胶墨水中，直接打印出无孔结构并进行后续培养，随着明胶的溶解，内皮细胞的黏附和增殖，可获得三维贯通的内皮化结构。原位细胞内皮化实验表明内皮细胞能够均匀分布于孔道内侧，且能够实现良好的增殖活性，形成均匀的连通网络和平行管。经过8天的孵育后，细胞荧光染色中内皮细胞粘附标志物CD31的高表达表明HUVECs增殖形成了一个均匀的细胞单层（图3）。

图3 无孔隙3D打印GelMA凝胶支架细胞生物活性及原位细胞内皮化图

除了血管组织工程支架的构建，研究者探究了该无孔隙3D打印方法能否应用于水凝胶基的微流控芯片的构建。如图4所示，研究者用PDMS作为封装和支撑凝胶网络的支架，3D打印构建了不同图案的微流控芯片模型。实验表明，微流体能够均匀流通于凝胶网络中，且不发生扩散。基于该凝胶基微流控芯片的原位内皮化实验表明内皮细胞能够均匀分布于凝胶网络内腔中，并形成贯穿的内皮网络结构。

图4 无孔隙3D打印GelMA凝胶用于微流体灌注和原位内皮化细胞芯片实验图

综上所述，研究者通过无孔隙3D打印方法实现了个性化、均一管状结构三维凝胶网络的构建。相比其他牺牲墨水式3D打印方式，该方法解决了三维凝胶网络易坍塌、低粘度生物墨水难以成型、内皮细胞种植效率低等难题，且可以用来构建内部互通良好的水凝胶基微流控芯片。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201908349