AHM：3D打印可調(diào)節(jié)孔隙率的微凝膠支架促進(jìn)細(xì)胞滲透

來源 :EngineeringForLife  

基于顆粒狀微凝膠固有的多孔特性，可促進(jìn)細(xì)胞滲透，已成為有前景的組織工程支架材料。3D打印的流變特性受到微凝膠填充和孔隙率的影響，因此將顆粒狀微凝膠應(yīng)用于3D生物打印，同時(shí)保持足夠的孔隙率以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞遷移，增強(qiáng)細(xì)胞功能活性，可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近期，美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系Sarah C. Heilshorn教授研究團(tuán)隊(duì)通過使用犧牲明膠微凝膠與甲基丙烯酰化明膠（GelMA）微凝膠混合來控制3D生物打印顆粒生物墨水的孔隙率。通過3D打印和UV光交聯(lián)之后，犧牲明膠微凝膠可通過37℃孵育和洗滌去除,剩下的凝膠支架由微凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成（圖1）。相關(guān)研究論文：“3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction”發(fā)表于雜志Advanced Healthcare Materials上。

圖1 基于犧牲性明膠微凝膠的微孔凝膠生物墨水的設(shè)計(jì)示意圖

水凝膠微球制備材料：
明膠微球：明膠+阿拉伯樹膠+PF127，甲基丙烯�；�明膠（GelMA）微球：GelMA+明膠+阿拉伯樹膠+PF127

1. 水凝膠微球的理化性能表征
研究者采用復(fù)合凝聚法制備得到明膠微球和GelMA微球。明膠微球的平均直徑為18.0 ± 3.97 μm，GelMA微球的平均直徑為50.55 ± 14.31 μm。接下來，為了探究微凝膠生物墨水可擠出3D生物打印的可行性，研究者研究了不同濃度下微凝膠的流變學(xué)行為，并最終選擇微凝膠的總濃度為6wt%，其中明膠和GelMA微凝膠以不同的比例混合，從100%w/w GelMA (0:100)到100% w/w明膠(0:100)（圖2）。在擠出打印模型過程（無支撐材料條件下）中，研究者探究了GelMA:明膠微凝膠生物墨水打印垂直結(jié)構(gòu)的量化表征，結(jié)果說明微凝膠含量在5wt%以上的生物墨水適宜于打印不塌陷的垂直形狀結(jié)構(gòu)。且試驗(yàn)顯示GelMA微凝膠含量為60%的生物墨水能夠在保持預(yù)凝膠高度的同時(shí)保持圓柱形和蓄水（圖3）。

圖2 無UV交聯(lián)下GelMA和明膠微凝膠生物墨水的流變特性和3D特性

圖3 3D打印自支撐層疊結(jié)構(gòu)

2. GelMA:明膠復(fù)合微凝膠生物墨水的孔隙率分析
研究者將打印溫度控制在25℃，然后將打印出的支架立即進(jìn)行紫外交聯(lián)，浸入到分子量為2000 kDa FITC標(biāo)記的葡聚糖中，在37℃下孵育24小時(shí)。當(dāng)犧牲性明膠微凝膠液化時(shí)，F(xiàn)ITC標(biāo)記的葡聚糖很容易擴(kuò)散到整個(gè)孔隙空間，而不穿透交聯(lián)的GelMA微凝膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著復(fù)合墨水中明膠微凝膠相對(duì)比例的增加，交聯(lián)明膠微凝膠間形成的孔隙空間也逐漸增大（圖4）。

圖4 GelMA:明膠復(fù)合微凝膠孔隙率的直觀表征

3. GelMA:明膠復(fù)合微凝膠的生物相容性
研究者在體內(nèi)外展示了該復(fù)合微凝膠生物墨水對(duì)于內(nèi)皮細(xì)胞的滲透。將各組凝膠DPBS徹底清洗以去除犧牲明膠微凝膠，然后將內(nèi)皮細(xì)胞與凝膠孵育7天。試驗(yàn)表明，各組凝膠均能實(shí)現(xiàn)較高的細(xì)胞存活率。內(nèi)皮細(xì)胞的遷移不僅受到支架幾何形狀的影響，還受到支架力學(xué)、細(xì)胞粘附配體的密度和間距以及細(xì)胞因子的影響。因此，為了證明該墨水提供了合適的微環(huán)境來誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移，研究者進(jìn)行了細(xì)胞浸潤試驗(yàn)。細(xì)胞核z軸方向的定量顯示HUVEC滲入到孔隙率較大的墨水中（圖5）。

除了滲透深度外，研究者探究了HUVEC在不同打印結(jié)構(gòu)之間的形態(tài)。GelMA:明膠微球相對(duì)比例為100:0的樣品(即只有間隙孔隙的樣品)與陰性對(duì)照樣品最相似，培養(yǎng)7d后細(xì)胞形成明顯的單層(圖5d)。相比之下，在40:60的樣本中，HUVEC細(xì)胞核在凝膠支架的表面和深處均可觀察到。試驗(yàn)表明，利用犧牲明膠微凝膠配制的顆粒墨水可以構(gòu)建具有可調(diào)孔隙的凝膠支架，為內(nèi)皮細(xì)胞提供一個(gè)允許的遷移環(huán)境（圖6）。

圖5 較大孔隙率微凝膠基墨水增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的滲透

圖6 培養(yǎng)7 d后，內(nèi)皮細(xì)胞在不同3D打印微凝膠中的遷移現(xiàn)象

綜上，研究者通過復(fù)合GelMA微凝膠和犧牲性明膠微凝膠形成復(fù)合生物墨水，該墨水具有可調(diào)的打印性能和孔隙率。該研究利用傳統(tǒng)3D打印策略，擴(kuò)大了犧牲性生物墨水在更廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的適用性。

光固化GelMA水凝膠（EFL-GM系列）

甲基丙烯酰化明膠（GelMA）由于具有生物兼容性好、可見光固化的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于細(xì)胞3D培養(yǎng)、組織工程、生物3D打印等研究領(lǐng)域，已有上萬篇學(xué)術(shù)論文中采用了GelMA水凝膠。EFL團(tuán)隊(duì)研制的GelMA產(chǎn)品具有批次穩(wěn)定、服務(wù)專業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。自推出以來，已服務(wù)哈佛、劍橋、麻省理工、港大、清華、北大、浙大、上交等國內(nèi)外高校的數(shù)百個(gè)課題組。

參考文獻(xiàn)

Alexis J. Seymour,Sungchul Shin,Sarah C. Heilshorn. 3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction to Promote Cell Infiltration. Advanced Healthcare Materials
https://doi.org/10.1002/adhm.202100644