功能化海藻酸钠墨水细胞静电打印微米精度活性结构改善细胞铺展与定向效果

供稿人：邱镇南、贺健康
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

生物打印技术在组织工程和再生医疗中有巨大的应用前景，但传统生物打印技术由于精度的限制在精确复现自然组织中细胞复杂排列结构方面仍然面临巨大挑战。近年来，一种利用电流体动力学效应打印出微米级别水凝胶纤维的细胞静电打印技术被提出，其在保证细胞活性的前提下极大提高了打印分辨率。但适用于细胞静电打印技术同能支持细胞铺展的生物墨水体系有待进一步研究。该论文的研究工作通过化学修饰RGD、混合牛纤维蛋白原及添加PEO，得到了适用于细胞静电打印工艺的功能化海藻酸钠墨水。

如图3所示，相较于改性前的纯海藻酸钠墨水，细胞在打印的功能化海藻酸钠墨水结构中的铺展率有显著提高。在改善生物活性的基础上，通过优化挤出流量、打印移动速度和接收距离等细胞静电打印工艺参数，打印水凝胶纤维结构的分辨率从50μm提高到了30μm（如图3所示）。细胞在该尺度下的凝胶结构中沿着纤维方向生长，表现出显著提高的细胞定向率。总的来说，该研究所建立的功能化海藻酸钠墨水体系使得细胞静电打印技术在原有的基础上进一步提高了细胞活性和打印分辨率，为精确复现自然组织的复杂微观结构提供了新的技术途径。

图1 功能化海藻酸钠墨水改性与细胞静电打印定向活性结构示意图

图2 改性后的功能化海藻酸钠墨水提高了细胞铺展性能。ALG：海藻酸钠墨水；ALG/FIB：海藻酸钠与牛纤维蛋白原混合墨水；RGD-ALG：化学修饰RGD的海藻酸钠墨水；RGD-ALG/FIB：化学修饰RGD海藻酸钠与牛纤维蛋白原混合墨水

图3 添加PEO后功能化海藻酸钠墨水静电打印水凝胶结构分辨率达到30μm以下。a 含不同浓度PEO功能化海藻酸钠墨水静电打印田字格水凝胶结构；b 含有不同浓度PEO的功能化海藻酸钠墨水在优化工艺参数后能够达到的最小线宽；c 静电打印10层水凝胶田字格结构的光镜图

图4 细胞静电打印不同墨水的水凝胶结构中细胞的活性与定向效果。a 海藻酸钠墨水打印纤维线宽50μm田字格结构中细胞基本不铺展呈现球状；b RGD-ALG/FIB墨水打印的50μm线宽田字格结构中大部分细胞铺展并有一定的定向趋势；c RGD-ALG/FIB/PEO墨水打印的30μm线宽田字格结构中细胞铺展并沿凝胶纤维定向生长；d 以上结构中细胞的存活率统计结果；e 以上结构中细胞的定向率统计结果

参考文献：
Qiu Z, Zhu H, Wang Y, et al., 2022. Functionalized alginate-based bioinks for microscale electrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment. Bio-des Manuf (Early Access). https://doi.org/10.1007/s42242-022-00225-z