浙江大學研發(fā)一種高精度3D打印組織工程支架，力學強度可調、絲徑孔徑可控

來源：賀永科學網博客


聚合物3D打印技術可被用于制造生命科學領域的組織工程支架。常規(guī)3D打印技術精度控制在100-200微米量級（主要指打印出的纖維直徑），然而細胞的尺寸在10微米左右。試想，如果用這樣的組織工程支架去進行組織培養(yǎng)，那么支架絲徑相對于細胞而言就好像是一座大山，那么，細胞爬滿整個支架的效率很低。

如果將支架絲徑降到接近乃至小于細胞尺度，會有什么有趣的現象呢？浙江大學賀永教授課題組提出了一種基于近場直寫3D打印技術的力學強度可調、絲徑與孔徑可控的非均質支架（MEWHS），通過該技術制造的支架絲徑在3微米-50微米之間可控。研究團隊用這個支架研究了細胞與支架的相互作用，發(fā)現細胞可以像竹子一樣定向生長，隨著結構的變化，細胞在支架上有多種未見報道的現象。

調控支架結構誘導細胞的特定生長
作為細胞的載體，組織工程支架被廣泛應用于三維細胞培養(yǎng)。而支架與細胞的相互作用也在組織工程領域引起廣泛關注，支架的剛度、孔徑等因素會顯著影響細胞的粘附、增殖、分化等。

而傳統(tǒng)的3D打印支架由于纖維直徑遠大于細胞尺寸，無法產生上述的相互作用。具有超細纖維的靜電紡絲支架則由于紡絲過程不可控，只能獲得均勻結構。浙江大學賀永教授課題組提出了一種基于近場直寫技術制造的力學強度可調、絲徑與孔徑可控的非均質支架（MEWHS），通過調控支架結構誘導細胞的特定生長。

區(qū)別于傳統(tǒng)的靜電紡絲（纖維不可控）與熔融沉積（FDM）的3D打�。ɡw維直徑太大），近場直寫技術能夠實現超細纖維（幾微米到幾十微米）的可控沉積。通過對近場直寫路徑的規(guī)劃，可以調節(jié)支架各部分的孔徑大小，調節(jié)細胞的粘附與生長速度。由于近場直寫獲得的纖維與細胞大小相仿，細胞的粘附將對纖維的直徑變化非常敏感。通過對打印過程中各項參數調控，纖維直徑能快速變化，輔以粗細纖維的特定排布，細胞在支架上將呈現不同的生長形態(tài)。

非均質支架原理示意圖。來源：Materials & Design

不同細胞具有不同大小與形態(tài)，即使在同一支架上也會呈現不同形態(tài)。如BMSCs（骨髓間充質干細胞）通常能伸長超過100微米甚至200微米，而HUVECs則通常小于100微米。在孔徑為200微米的支架上，BMSCs會直接跨過孔隙，在纖維之間“搭橋”，而HUVECs則會沿著纖維粘附，先把方孔圍城圓形，再漸漸填滿。

不同尺寸細胞在支架上的形態(tài)差異。來源：Materials & Design

利用近場直寫的可控沉積，制造的支架可以具有不同的孔徑與孔隙形狀，為之后更深入研究細胞-支架相互作用提供可能。在實驗中，研究人員接種了HUVECs的非均質支架，不同區(qū)域的細胞數量在第7天有了明顯的區(qū)別。

孔隙不同的支架與細胞增殖的差異。來源：Materials & Design

研究人員探索了對纖維直徑產生影響的多種因素，最后選擇速度作為打印過程中控制直徑的主要變量，實現在均勻的孔徑下實現支架的非均質特性。在這種情況下，支架的不同區(qū)域具有不同力學強度，在不同方向的受力作用下，將產生不同程度的變形。通過更細致的直徑調控，粗細纖維能組成復雜圖案，如五角星、太極、求是鷹的圖案（細纖維肉眼觀察比粗纖維更透明）。

可控的纖維形成的具有不同力學強度與圖案的支架。來源：Materials & Design

纖維直徑不同也會對細胞粘附產生影響，細胞在接觸粗纖維時更傾向于整體粘附與粗纖維表面，以圓形方式填充孔隙；而在接觸細纖維時細胞則更傾向于以一端纏繞細纖維，進而形成“搭橋”。由此，細胞在特定排布的粗細纖維上，產生了明顯的定向生長趨勢。

細胞在特定粗細纖維排布上產生的定向效果。來源：Materials & Design

浙江大學賀永教授課題組提出的高精度3D打印非均質支架，提供了通過設計特殊支架結構來誘導細胞生長的策略，通過這一策略，組織工程領域的科研人員將能夠更好地模擬體內復雜的環(huán)境。

相關論文”Structure-induced cell growth by 3D printing of heterogeneous scaffolds with ultrafine fibers”已被Materials & Design期刊錄用。