Biomaterials：脫細胞基質墨水的無掃描連續光固化生物3D打印
時間：2020-04-02 10:23 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
相比于傳統的凝膠基生物墨水，脫細胞基質(dECMs)能更好地模擬細胞微環境，可以促進細胞生存、粘附、擴散、增殖、遷移、分化，以及組織形成和修復。但由于其物理特性不可調，導致可打印性不佳，所以在生物3D打印復雜功能仿生組織的應用中受到了限制。
近期，加州大學圣地亞哥分校Shaochen Chen團隊提出了一種利用光交聯的dECM生物墨水和數字光處理(DLP)的無掃描連續生物3D打印機來制造微尺度仿生組織的新方法。該方法可以在短短的幾秒內生成非常復雜的細微結構，該研究通過使用DLP打印方法對hiPSCs衍生的細胞與組織匹配的dECM生物墨水進行制造，構建出了仿生人類心臟和肝臟的橫紋肌和小葉肝結構，再通過生物物理線索引導自發的細胞重組進入預先設計好的結構中去，使細胞在打印結構中實現很好地生存和成熟。相關論文“Scanningless and continuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellular matrix”已發表在“Biomaterials”期刊上。
首先制備兩種可光交聯的dECM生物墨水：對于心臟組織結構其生物墨水成分為以PBS為溶劑含有5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) HdECM + 0.25% (w/v) LAP的最終溶液；對肝臟組織其生物墨水最終濃度為5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) LdECM + 0.25%(w/v) LAP。然后通過數字光處理(DLP)的生物3D打印機(圖1)來制造基于組織特異性dECM的仿生微結構。本研究中基于光固化的生物3D打印過程使同時具有較好機械性能和高分辨率復雜的微尺度幾何圖形僅需幾秒鐘就可以生成。
活/死染色結果顯示兩種構建物的細胞存活率都很高(圖3)，進一步的實驗結果顯示在沒有外界刺激的情況下，心肌細胞在72h時恢復跳動。在肝臟組織構建中活/死染色染色結果也證實，在7d內，LdECM和I型膠原均保持了較高的細胞活力，并且具有相似的代謝活動水平。目前的研究表明，微尺度幾何結構在細胞功能、遷移、分化和組織方面起著重要作用。其內在原因是通過細胞與周圍環境的生物物理信號的相互作用，通過接觸引導來調節的。本研究設計了兩種單獨的模式用于細胞化仿生心臟和肝臟組織構建的生物打印。組織特異性dECM生物墨水為支持與組織匹配的hiPSC衍生培養提供了良好的環境，從而HdECM和LdECM組織中細胞存活率都較高。hiPSC衍生細胞在它們的天然dECM提供的刺激環境中進行培養，以促進細胞成熟，而打印出的圖案形狀可根據細胞對其周圍的生物物理環境有自然的感覺和反應，從而對其組織的發展實現誘導。本研究所制造的這些微結構反映了各種組織的詳細幾何形狀，為促進組織特異性的形態學提供物理指導線索。
總的來說，該研究通過將dECM生物墨水與基于DLP的3D生物打印技術相結合，提供了一種快速構建具有組織特異性生化成分、微尺度結構和可調整模量的仿生人體組織的新方法。研究所述的方法可用于開發適用于其他組織的特異性dECM生物墨水，用于合理設計具有組織樣細胞密度、高分辨率的拓撲結構以指導細胞組織和良好控制機械性能的仿生組織。這些基于dECM的肝臟和心臟組織構建物可以為今后研究hiPSC衍生細胞在復雜仿生組織系統中的長期穩定性和功能成熟打開大門。后續的應用中該方法可用于合并多種細胞類型，創建基于dECM的異構組織結構，可以作為研究生物疾病機制、開發個性化藥物以及診斷藥物篩選應用的新途徑。
近期，加州大學圣地亞哥分校Shaochen Chen團隊提出了一種利用光交聯的dECM生物墨水和數字光處理(DLP)的無掃描連續生物3D打印機來制造微尺度仿生組織的新方法。該方法可以在短短的幾秒內生成非常復雜的細微結構，該研究通過使用DLP打印方法對hiPSCs衍生的細胞與組織匹配的dECM生物墨水進行制造，構建出了仿生人類心臟和肝臟的橫紋肌和小葉肝結構，再通過生物物理線索引導自發的細胞重組進入預先設計好的結構中去，使細胞在打印結構中實現很好地生存和成熟。相關論文“Scanningless and continuous 3D bioprinting of human tissues with decellularized extracellular matrix”已發表在“Biomaterials”期刊上。
首先制備兩種可光交聯的dECM生物墨水：對于心臟組織結構其生物墨水成分為以PBS為溶劑含有5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) HdECM + 0.25% (w/v) LAP的最終溶液；對肝臟組織其生物墨水最終濃度為5% (w/v) GelMA + 5% (w/v) LdECM + 0.25%(w/v) LAP。然后通過數字光處理(DLP)的生物3D打印機(圖1)來制造基于組織特異性dECM的仿生微結構。本研究中基于光固化的生物3D打印過程使同時具有較好機械性能和高分辨率復雜的微尺度幾何圖形僅需幾秒鐘就可以生成。
圖1
利用組織特異性hiPSCs構建dECM組織的快速3D生物打印技術.第一步：將人誘導型間充質干細胞分化為hiPSC-CMs和hiPSC-Heps，并分別與各自的組織特異性光交聯dECM生物墨水相結合；第二步：每個組織的關鍵組織學特征被設計成數字模型輸入到DLP生物3D打印機中，從而在幾秒內創建具有微尺度的仿生微結構
本研究設計了兩種不同的仿生模型，用來模擬天然心臟和肝臟的關鍵組織學特征(圖2)。其中模擬心肌組織結構的圖案為平行的等距線條，利用結構刺激來促進心肌組織的形成；模擬肝臟組織結構的圖案為六角形的小結構。打印后的脫細胞組織結構具有高度的圖案精度，并且在28天內表現出長期的保真度。心臟和肝臟dECM組織構建物的打印曝光時間是根據獲得高分辨率和結構穩定性所需的最短時間來選擇的。研究結果顯示在打印的組織結構中，柔軟的力學性能對于保證被包裹的細胞的擴散和重塑是非常重要的。研究中的每個組織類型所打印的微型脫細胞dECM結構與所建立的數字模型非常相似，其匹配尺寸能達到微米的量級。
圖2 生物打印的仿生學模式的心和肝dECM組織結構 a）設計的仿生數字圖案；b)對應的非細胞3D打印的心臟和肝臟組織結構外觀；c）非細胞3D打印細節；d）種植細胞；e,f)打印產物宏觀外形；g,h）28天內測量的溶脹率
活/死染色結果顯示兩種構建物的細胞存活率都很高(圖3)，進一步的實驗結果顯示在沒有外界刺激的情況下，心肌細胞在72h時恢復跳動。在肝臟組織構建中活/死染色染色結果也證實，在7d內，LdECM和I型膠原均保持了較高的細胞活力，并且具有相似的代謝活動水平。目前的研究表明，微尺度幾何結構在細胞功能、遷移、分化和組織方面起著重要作用。其內在原因是通過細胞與周圍環境的生物物理信號的相互作用，通過接觸引導來調節的。本研究設計了兩種單獨的模式用于細胞化仿生心臟和肝臟組織構建的生物打印。組織特異性dECM生物墨水為支持與組織匹配的hiPSC衍生培養提供了良好的環境，從而HdECM和LdECM組織中細胞存活率都較高。hiPSC衍生細胞在它們的天然dECM提供的刺激環境中進行培養，以促進細胞成熟，而打印出的圖案形狀可根據細胞對其周圍的生物物理環境有自然的感覺和反應，從而對其組織的發展實現誘導。本研究所制造的這些微結構反映了各種組織的詳細幾何形狀，為促進組織特異性的形態學提供物理指導線索。
圖3 在生物打印的dECM組織構建中培養的組織特異性hipscs衍生細胞的生存能力
總的來說，該研究通過將dECM生物墨水與基于DLP的3D生物打印技術相結合，提供了一種快速構建具有組織特異性生化成分、微尺度結構和可調整模量的仿生人體組織的新方法。研究所述的方法可用于開發適用于其他組織的特異性dECM生物墨水，用于合理設計具有組織樣細胞密度、高分辨率的拓撲結構以指導細胞組織和良好控制機械性能的仿生組織。這些基于dECM的肝臟和心臟組織構建物可以為今后研究hiPSC衍生細胞在復雜仿生組織系統中的長期穩定性和功能成熟打開大門。后續的應用中該方法可用于合并多種細胞類型，創建基于dECM的異構組織結構，可以作為研究生物疾病機制、開發個性化藥物以及診斷藥物篩選應用的新途徑。
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