用于制造血管化組織的高細胞密度和高分辨率3D生物打印

供稿人：白路歌、王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

生物組織中高細胞密度特征（HCD）對維持組織的正常功能至關重要，天然人體組織的細胞密度通常為10億-30億個細胞/mL，然而目前用于組織生物打印的細胞密度僅為100萬-1000萬個細胞/mL。此外，由于缺乏在組織內(nèi)部同步制造可灌注血管網(wǎng)絡的能力，工程組織的厚度受到限制。因此，為了更貼近天然組織，在3D工程組織中實現(xiàn)HCD打印和高分辨率血管網(wǎng)絡打印至關重要。

近年來，基于數(shù)字光處理（DLP）的生物3D打印由于其高分辨率、高細胞活力和高速度而成為一種有前途的生物制造技術（圖1D）。在理想情況下，打印層將與光投影截面的形狀完全匹配。然而在生物墨水中摻入細胞會引起嚴重的光散射，導致打印層不能復制投影截面的精細細節(jié)，所以目前相關研究僅限于低細胞密度（≤1000萬個細胞/ml）。

為了解決此問題，來自美國加利福尼亞大學的Shaochen Chen團隊在GelMA生物墨水中加入碘二醇（IDX），從而可以精確地調(diào)整生物墨水的折射率，使其與被包裹細胞的細胞質(zhì)折射率相匹配，最大限度地降低細胞引起的散射效應（約10倍），從而大大提高分辨率 （圖1B，1C）。使用此改良墨水，研究者實現(xiàn)了250μm厚度的輻條形和雪花形3D結構的HCD（1億個細胞/mL）高精度（≤50μm）打印。

圖1 基于DLP生物打印方法實現(xiàn)HCD高精度打印

研究者使用研發(fā)的生物墨水，摻入4000萬個細胞/mL，3D打印了尺寸為17mm × 11mm × 3.6 mm的預血管化厚組織結構（圖2A），其中血管直徑范圍為250 ~ 600 μm（圖2B，2C，2D），隨后使用微流體蠕動泵對組織進行灌流培養(yǎng)至14天（圖2A）。結果表明，用于灌注培養(yǎng)的血管網(wǎng)絡提高了細胞存活率（66%）（圖2E），細胞沿著打印的管腔形成了致密而均勻的內(nèi)皮細胞單層，打印管腔外出現(xiàn)血管新生，而且出現(xiàn)了兩個血管通道合并/分裂現(xiàn)象（圖2F，2G），這證實了HCD高精度3D打印功能化預血管化組織的可行性。

圖2 血管化可灌注厚組織的3D打印及結果表征

研究者通過在GelMA生物墨水中添加IDX，同時實現(xiàn)了HCD、高活力和高分辨率的3D生物打印，制造了厚組織內(nèi)精細血管網(wǎng)絡，這項工作代表了在3D生物打印中實現(xiàn)高分辨率和HCD的最先進技術。此外，這種技術可拓展應用于大多數(shù)生物材料和細胞類型，除了DLP方法之外，該方法還可以應用于其他基于光的3D打印技術，為制造功能性大規(guī)模、臨床可移植的組織或器官提供重要基礎。

參考文獻：
You S, Xiang Y, Hwang H H, et al. High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues[J]. Science Advances, 2023, 9(8): eade7923.