供稿人：梁拓、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会
近日，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发了一种简单快速的方法，无需任何复杂或昂贵的耗材和配件，可用于细胞治疗、组织再生和3D生物打印应用的可扩展高通量微凝胶制造。我们利用空气辅助同轴装置（ACAD）来生产含有细胞或无细胞的微凝胶。设备设置具有两个同心布置的独立喷嘴，聚合物溶液和空气通过这些喷嘴流动。为了证明该工艺的多功能性，团队制造了多种材料的微凝胶及其组合，包括海藻酸盐（Alg），GelMA（GelMA）和海藻酸盐-GelMA（Alg-GelMA）微凝胶。之后团队对形成的微凝胶进行了多种应用的测试，包括它们在细胞封装、生物打印（作为直接挤出的生物墨水或作为嵌入式生物打印的支撑浴）和支架中的应用。
（A）实验装置，包括连接到气流的气泵的同轴喷嘴和用于水凝胶流的注射泵（B）使用ACAD器件进行Alg，GelMA和Alg-GelMA凝胶生产微凝胶示意图 图1 微凝胶的高通量制造设备
团队使用ACAD平台成功制备了Alg，GelMA和Alg-GelMA的球形微凝胶。将前体聚合物溶液在40、60、100和180 kPa的不同压力水平下挤出，并分析了微凝胶的尺寸和形状。使用上述压力水平制备的海藻酸盐、GelMA和海藻酸盐-GelMA微凝胶的明场图像如图2（A）所示。微凝胶呈球形形貌，彼此分离，无可见团聚。通过量化微凝胶的生产率来评估ACAD平台的有效性。与海藻酸盐和海藻酸盐-GelMA微凝胶相比，GelMA微凝胶的生产率显著更高，如图2（B）。海藻酸盐、GelMA和海藻酸盐-GelMA微凝胶的圆度分布范围分别为0.2至1、0.5至1和0.2至1。然而，根据范围的不同，GelMA的圆度被确定为明显高于海藻酸盐和海藻酸盐-GelM。总体而言，大多数Alg和GelMA微凝胶表现出～1的圆度，即完美的圆形，如图2（C）。
（A）海藻酸盐，GelMA和海藻酸盐-GelMA微凝胶在不同气压水平下的显微图像 （B）微凝胶生产率 （C）对生成的微凝胶的圆度进行定量评估 图2 无细胞微凝胶的形态学评估和物理表征
为了举例说明制造微凝胶的实用性，团队展示了三种不同的应用，包括细胞包封，生物打印（微凝胶的直接挤出及其用作支撑浴）和支架。
在第一个应用中，团队演示了细胞包封。将GFP MDA-MB-231细胞与母离子聚合物溶液结合后，生产细胞包封的微凝胶，如图3（A）所示。发现所有三种微凝胶类型中MDA-MB-231细胞在微凝胶中的包封效率约为75%。此外，使用另一种细胞类型HDFs也证实了微凝胶的生物相容性和所提出的策略的可行性。
在第二个应用中，微凝胶被用作基于挤出的生物打印的生物墨水和支撑浴。根据流变特性和初步挤出测试，仅将GelMA微凝胶进一步评估为可打印的生物墨水，因为单独的海藻酸盐和海藻酸盐-GelMA微凝胶不可挤出，因为它们显示出水相分离，不会形成细丝，并导致喷嘴堵塞。悬挂长丝测试表明，GelMA微凝胶具有形成细丝的能力，这是生物打印所必需的，如图3（B）所示。此外，将块状GelMA添加到GelMA微凝胶中显着增加了悬挂长丝的最大长度，从而增加了用于挤出的生物墨水的稳健性。
（A）细胞封装 （B）生物墨水的长丝长度、熔融和可印刷性测试 （C）GelMA微凝胶包封的GFP MDA-MB-231细胞3D生物打印 图3 微凝胶的实用性测试
此外，所提出的方法能够制造3D复杂形状的结构。将MDA-MB-231细胞封装在GelMA微凝胶中，然后将其加入GelMA主体中，所得生物墨水用于海藻酸盐微凝胶作为支撑浴的三冠结构的3D生物打印（图3（C））。生物打印的冠状结构显示出高保真度，即使在去除藻类微凝胶后，中空结构也能保持其完整性而不会塌陷，这表明生物打印结构的结构稳定性。
参考文献：
Pal V, Singh YP, Gupta D, Alioglu MA, Nagamine M, Kim MH, Ozbolat IT. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications. Biofabrication. 2023. High-throughput microgel biofabrication via air-assisted co-axial jetting for cell encapsulation, 3D bioprinting, and scaffolding applications - IOPscience
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