壓電噴墨打印3D肺泡屏障模型與生理相關(guān)微結(jié)構(gòu)

在生物打印技術(shù)中，壓電噴墨生物打印適合重建薄而復(fù)雜的軟組織特征。因?yàn)镈OD按需打印方法具有分辨率高、打印速度快、高細(xì)胞活性、材料浪費(fèi)低等優(yōu)勢�；�于MicroFab噴墨技術(shù)的生物打印機(jī)可噴射≥0.1pL的微液滴，可對(duì)活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行微圖案化。

隨著新呼吸道病毒的爆發(fā)和肺部疾病的高死亡率，迫切需要人類呼吸系統(tǒng)的生理相關(guān)模型來研究疾病發(fā)病機(jī)制、藥物療效和藥理學(xué)。生物打印技術(shù)是可用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D組織模型的新興技術(shù)之一。生物打印可以3D方式自動(dòng)沉積細(xì)胞和生物材料，實(shí)現(xiàn)組織模型的高度控制和定制生產(chǎn)。生物打印組織工程可以為體外藥物篩選和毒性研究提供更準(zhǔn)確的模型。在生物打印技術(shù)中，壓電噴墨生物打印 適合重建薄而復(fù)雜的軟組織特征。這是因?yàn)榘葱璐蛴》椒ň哂蟹直媛矢�、打印速度快、高�?xì)胞活性、材料浪費(fèi)低等生物打印技術(shù)的優(yōu)勢�；�于噴墨的生物打印機(jī)在其噴嘴中包括一個(gè)壓電制動(dòng)器，在電脈沖下在墨水腔內(nèi)產(chǎn)生聲波，以噴射典型體積為1~100pL（10^-12L）的微小液滴（MicroFab噴墨技術(shù)可實(shí)現(xiàn)≥0.1pL的微液滴），噴墨打印的這種能力已被證明能夠在2D和3D環(huán)境中以高精度和速度對(duì)活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行微圖案化。

《All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture》報(bào)告了一個(gè)全噴墨打印的肺泡屏障模型，功能層上皮和內(nèi)皮細(xì)胞與膠原蛋白之間的基底膜。四種類型的人類肺泡細(xì)胞的高分辨率模式，即NCI-H1703（肺上皮I型細(xì)胞）、NCI-H441（肺上皮II型細(xì)胞）、HULEC-5a（肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞）和MRC5（肺成纖維細(xì)胞）以及I型膠原蛋白，通過按需噴墨打印自動(dòng)高分辨率沉積肺泡細(xì)胞，能夠制造出厚度達(dá)到≈10μm的三層肺泡屏障模型。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)模型相比，3D結(jié)構(gòu)模型更好地再現(xiàn)了肺組織的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能，而且與肺泡細(xì)胞和膠原蛋白均勻混合的3D非結(jié)構(gòu)模型相比，3D結(jié)構(gòu)模型更好地再現(xiàn)了肺組織的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能。按需應(yīng)變噴墨打印技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、可擴(kuò)展制造、尺寸和生長標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，相信這種3D肺泡屏障模型可以作為病理學(xué)和制藥學(xué)應(yīng)用中傳統(tǒng)測試模型的替代方法。

肺泡屏障模型的噴墨生物打印
 

▲ 圖1  肺泡屏障模型的制作。a）鬼筆環(huán)肽染色的人肺泡細(xì)胞系的共聚焦熒光顯微鏡圖像。肌動(dòng)蛋白呈紅色，細(xì)胞核呈藍(lán)色。比例尺：50µm。b）制作肺泡屏障模型的噴墨打印工藝示意圖。這些細(xì)胞均采用噴墨打印，逐層打印。此圖像是使用BioRender創(chuàng)建的。

▲ 圖2  優(yōu)化噴墨生物打印參數(shù)。a）用直徑為80μm的壓電噴嘴對(duì)人體肺泡細(xì)胞進(jìn)行噴墨打印的單閃光圖像。比例尺：100μm。b）代表圖像，8×8個(gè)細(xì)胞液滴陣列印在玻璃基板上，間距為500μm。小圖：放大2×2陣列。c）每個(gè)液滴的平均細(xì)胞數(shù)32×32陣列中。

▲ 圖3  打印后細(xì)胞生存能力測試。a）執(zhí)行生存/死亡檢測，以確定打印后細(xì)胞的可行性（n=3）。b）執(zhí)行CCK-8檢測以評(píng)估打印后7天的細(xì)胞增殖（n=3）。

噴墨生物打印系統(tǒng)
生物油墨以液滴形式噴射，噴墨生物打印系統(tǒng)（Jetlab Ⅱ; MicroFab, TX）基于壓電打印技術(shù)，包括x-y電動(dòng)工作臺(tái)和一個(gè)高分辨率（±2μm）沿z軸移動(dòng)的噴嘴。采用80μm噴口直徑（MJ-ATP-01-80; Microfab）噴墨打印頭。系統(tǒng)中的油墨儲(chǔ)存器和噴頭的溫度由一個(gè)帶有冷凍循環(huán)槽的集成冷卻系統(tǒng)精心控制。與電壓施加相關(guān)的參數(shù)被調(diào)整以控制液滴的大小和直線度。通過±80V的JetDrive控制器（MicroFab）給壓電元件施加雙極性電壓波形，其上升、停頓和下降時(shí)間分別為≈10μs。將液滴速度調(diào)整到3ms^-1。x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度和加速度分別為15mms^-1和500mms^-2。單元陣列和模式是從單色位圖圖像中打印出來的。通過控制打印液滴的數(shù)量、生物油墨的細(xì)胞濃度以及液滴之間的距離，可以調(diào)整噴墨打印要打印的細(xì)胞數(shù)量。為了防止細(xì)胞在打印過程中沉淀，每隔10分鐘用吸管重新懸浮載細(xì)胞的墨水。

參考文獻(xiàn)：
[1] Kang D ,  Ju A P ,  Kim W , et al. All‐Inkjet‐Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture[J]. Advanced Science, 2021.