生物3D打印應(yīng)用 | 擠出與靜電紡絲配合打印三維活性生物結(jié)構(gòu)

生物3D打印是以數(shù)字三維模型為模板，通過層層堆疊的方式制造生物材料、生物支架或組織器官的生產(chǎn)方式。其作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的有力輔助手段，正在實驗和臨床階段發(fā)揮越來越重要的作用。

目前，生物3D打印的多種方式中，擠出式打印配合分散有細胞的水凝膠已經(jīng)可以打印出多種簡單的組織、器官，但其機械強度仍然無法達到在高度上隨意堆疊的程度，即只能打出近似平面結(jié)構(gòu)。因此，有科學(xué)工作者將分散有細胞的水凝膠與纖維搭配使用，通過纖維搭建的三維支架，將細胞填充以進行培養(yǎng)^[1]。

目前比較成熟的纖維打印使用的是熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling, FDM），但FDM相對較差的分辨率，使得打印出來的支架無法穩(wěn)定提供用于細胞分化的合適微環(huán)境。在此情況下，新型的熔融電子書寫（Melt Electrowriting, MEW，也被稱為熔融靜電紡絲）逐漸被人們所重視。MEW的打印精度完全可以達到相關(guān)實驗的要求，但之前的報道均是先打印好支架，然后再將細胞嵌入其中。這對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支架而言，很難保證內(nèi)部充分填充，于是荷蘭烏特勒支大學(xué)教授Miguel Castilho和Jos Malda通過采用regenHU 3DDiscovery Evolution系列打印機的擠出和靜電紡絲兩種打印頭協(xié)調(diào)工作，成功實現(xiàn)單步驟完成活性生物結(jié)構(gòu)的打印過程。

同時安裝靜電紡絲打印頭和擠出式打印頭，即可實現(xiàn)單一步驟打印

該科研組為馬間充質(zhì)干細胞進行熒光染色后，將其分散在10%甲基丙烯酸酐化明膠（gelMA）中，作為生物墨水，用擠出式打印頭進行打印；選用聚己內(nèi)酯作為支架墨水，用靜電紡絲打印頭進行打印。靜電紡絲可以打印細至13 μm的絲線，而gelMA的擠出式打印直徑在200 – 400 μm之間，通過靜電紡絲打印出框架，使得gelMA可以固定在既定位置，間接提高了擠出式打印頭的分辨率。

分別用Dil（紅）、DiO（藍）和DiD（綠）染色的馬間充質(zhì)干細胞在纖維支架（灰）中的打印情況

當(dāng)然，在生物體中，纖維的分布遠比簡單幾何圖形要復(fù)雜，為了證明這種打印方式可以應(yīng)用于更為復(fù)雜的條件，該科研組也嘗試在各種不同形狀的水凝膠表面打印纖維，均有良好的附著和定形能力，大大擴展了該纖維打印方式的應(yīng)用面。
 

靜電紡絲（橫向細線，白色箭頭）打印在由水凝膠（底部斜向粗線，黃色箭頭）堆疊的不同形狀表面

同時，科研組也對打印環(huán)境、打印條件對生物墨水中細胞成活率的影響進行了詳盡的研究�？蒲薪M將生物墨水分別暴露在打印環(huán)境中15、30、45、60 min，再進行細胞分化培養(yǎng)。發(fā)現(xiàn)相對于直接澆筑成形（暴露0 min）的活性組織結(jié)構(gòu)，細胞的成活率分別下降了12%、33%、63%和80%。而靜電紡絲電壓測試顯示，使用0、5、10、15 kV的電壓進行工作對細胞成活率無顯著性差異。

不同打印時間對細胞成活率的影響                               不同工作電壓對細胞成活率的影響

Miguel Castilho和JosMalda的成果使得打印生物活性結(jié)構(gòu)的效率得到了進一步提升，構(gòu)建準(zhǔn)確可控的三維結(jié)構(gòu)組織得以實現(xiàn)，我們可以在不對機械強度、細胞成活率做出讓步的前提下構(gòu)建臨床可用的組織、器官。

參考文獻：

[1] AkbariM , Tamayol A , Laforte V , et al. Composite Living Fibers for Creating TissueConstructs Using Textile Techniques[J]. Advanced Functional Materials, 2014,24(26):4060-4067.

[2] deRuijter Mylène, Alexandre R , Inge D , et al. Simultaneous Micropatterning ofFibrous Meshes and Bioinks for the Fabrication of Living Tissue Constructs[J].Advanced Healthcare Materials, 2018:1800418.