復旦/上海理工團隊： 3D打印支撐結構，GelMA/PLMA制備囊膜混濁模型

來源： EFL生物3D打印與生物制造

后發(fā)性白內障(PCO)，又稱后囊膜混濁，是白內障術后一種主要的遠期并發(fā)癥，，術后1-5年的發(fā)病率在成人中為20%-40%，在兒童中則高達100%。近年來，雖然有多種措施嘗試減少PCO的發(fā)生，但目前PCO發(fā)生發(fā)展機制尚未完全清楚，因此進一步完善和發(fā)展PCO的預防和治療策略，對PCO發(fā)生機制進行深入研究至關重要。

近期，復旦大學附屬醫(yī)院竺向佳教授、羅怡教授以及上海理工大學戴博教授團隊在《Regenerative Biomaterials》上發(fā)表了題為“Fabrication of a 3D bioprinting model for posterior capsule opacification using GelMA and PLMA hydrogel-coated resin”的研究論文，提出了一種新的PCO模型用于模擬白內障手術后透鏡囊的解剖結構。研究人員利用EFL品牌的投影式光固化生物3D打印機（EFL-BP8601 Pro）并結合了光敏樹脂制備了一個剛性中空底座和蓋子的外部支撐結構，后將水凝膠旋涂在樹脂支架上，構建出透鏡囊結構。后期通過一系列染色技術評估了各種水凝膠組合物的生物相容性和對細胞功能的影響，并探究了多種具有抗炎和抗增殖特性的藥物對人透鏡上皮細胞（HLEC）的作用，表明了PCO模型為研究PCO的發(fā)病機制和探索潛在的治療干預措施提供了一個有價值的實驗平臺。   

為探索PCO的病理機制和藥物干預策略，研究工作者們開發(fā)了多種體內和體外模型，但這些模型在三維動態(tài)培養(yǎng)、仿生袋狀支撐、微環(huán)境的模擬和干預等關鍵領域仍存在局限性。而本研究探討了一種新的體外PCO模型的構建方法，先基于白內障手術后透鏡的解剖結構和透鏡囊的結構設計出三維模型，采用基于光敏樹脂的生物3D打印工藝構建出穩(wěn)定的外層結構以提供有效的支撐，后為了更好的模擬囊袋的囊壁結構，將水凝膠薄涂在支架表面以建立良好的生長微環(huán)境。整體PCO模型采用開合式設計，便于模型精確定位、實驗干預和染色觀察。

圖1 PCO模型的設計和構建  

為確定最佳水凝膠混合物作為PCO模型的超薄涂層，研究人員通過評估不同濃度以及材料條件下細胞的可滲透性和生物相容性，選擇了5wt% GelMA60和2wt% ε-PLMA作為最佳混合物。而后為了更好的復制透鏡囊的晶狀體結構并為人晶狀體上皮細胞（HLEC）培養(yǎng)創(chuàng)造最佳條件，比較了用水凝膠涂覆PCO模型的各種方法，發(fā)現(xiàn)采用旋涂法且轉速2000 rpm時得到的水凝膠涂層具有優(yōu)異的生物相容性、穩(wěn)定性、抗菌活性和低氧化應激發(fā)生率，為HLEC提供了有利生長環(huán)境。

圖2 PCO模型構建、干預和分析示意圖

研究人員對比了培養(yǎng)皿培養(yǎng)、水凝膠3D打印培養(yǎng)、PCO模型構建三種方法下細胞的活性以及脂質過氧化水平，驗證了用于PCO模型表面的水凝膠涂層的旋涂技術為HLEC培養(yǎng)提供了最佳環(huán)境，表明了所提出的PCO模型構建方式確保了機械支撐、形態(tài)穩(wěn)定性和生物相容性特征之間的平衡。

圖3 PCO模型生物材料相容性評價

圖4 PCO模型氧化應激水平的評價

研究人員基于PCO模型探究了所選擇的8種藥物的抗細胞凋亡、抗氧化應激和抗炎特性，通過評估藥物對HLEC的作用證實了AICAR、雷帕霉素、4-OI在PCO模型中顯著抑制HLEC的增殖和遷移，表明了AICAR、雷帕霉素、4-OI是藥物開發(fā)的理想靶點。   

圖5 PCO模型中藥物治療后的細胞遷移

圖6 藥物治療后PCO模型中的細胞遷移評價

綜上所述，本文成功開發(fā)了一種新的PCO模型，該模型精心設計的參數(shù)模擬了白內障手術后透鏡囊的狀態(tài)，而3D打印的中空底座提供了穩(wěn)定性和支撐，并應用GelMA和PLMA復合水凝膠的微生物涂層為HLEC生長創(chuàng)造了最佳的微環(huán)境。該模型不僅可用于研究PCO的發(fā)病機制，還可用于各種藥物干預研究，分析不同藥物干預PCO發(fā)生發(fā)展的效果，為精確干預提供實驗依據(jù)。

文章來源：
https://doi.org/10.1093/rb/rbae020