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    行業新聞

    極光爾沃:大尺寸血管化組織的同軸生物3D打印方

    文章出處:3d打印機點擊次數:作者:極光爾沃
           組織/器官內的血供系統,為組織提供了必須的營養及代謝交換。而組織體外重建時當尺寸>200μm時,就會超出營養/氧氣的擴散極限,需要構造豐富的血管系統,避免內部營養輸送不暢。

           2015年,我們提出組織+營養通道一次性制造的同軸生物打印方法(Biomaterials, 2015,61, 203-215),用來制造帶有營養流道的大尺寸結構,如圖1所示。其基本原理是:將交聯劑/水凝膠材料分別通入同軸噴頭的內/外通道,交聯劑和水凝膠在噴嘴出口處相遇,水凝膠發生快速交聯形成中空凝膠管,再將凝膠管通過層層沉積形成帶有流道的三維結構。然而,當時采用灌流內皮細胞懸液進行了血管化嘗試,效果不佳,因為灌流內皮細胞懸液的方式只能實現簡單結構的血管化,故而15年的工作重點聚焦在提升大尺寸組織的營養輸送效率。


    圖1 同軸打印血管通道

           16年我們開始探索如何深化,19年我們通過耦合犧牲打印和同軸打印工藝,提出組織/血管同軸3D打印思路,以實現血管+結構同步制造(圖2)。通過設計核/殼型的GelMA/明膠墨水,利用同軸噴頭將載組織細胞墨水(外噴頭)和載內皮細胞犧牲墨水(內噴頭)同時擠出,打印時犧牲墨水支撐流道,培養時犧牲墨水融化形成通暢的流道網絡,同時內皮細胞從犧牲墨水中釋放,粘附于流道內壁進行血管化,實現從流道網絡到血管化網絡的轉變?;诖朔椒?,實現了血管化大塊組織結構(≥1 cm)的打印及體外長時間培養(≥20 days),并成功將其應用于血管化的腫瘤模型和骨組織的制造。

    圖2 血管+結構一次性打印原理

            此外,在血管+結構的一次性打印策略中,由于載細胞墨水和犧牲墨水相互協同作用,相互增強了各自的可打印性,能夠容易的實現復雜結構的打印。同時,由于實體結構的自支撐效應,可打印具有較高保證度的三維復雜結構,且在結構內的血管流道保持的較好(圖3)。

    圖3 三維復雜血管流道網絡結構打印

           為了模擬生物體內細胞或細胞外基質組成多樣性,我們還模擬制造了多細胞或多材料組織結構(圖4、圖5),采用多合一噴頭裝置,可以切換多種載細胞材料與犧牲材料進行同步打印。打印時,選擇性的通入目標載細胞材料,同時通入犧牲材料,可以打印出含有血管流道的多組分組織結構體。

    圖4 多組分血管流道網絡結構打印原理

    圖5 多組分血管流道網絡結構

           為了驗證血管流道網絡輸送營養/氧氣的有效性,,我們打印了cm級的含血管流道網絡的大塊載細胞結構體(10 mm × 10 mm × 10 mm),并觀察結構體不同部位的細胞生長狀況(圖6),細胞在整個流道網絡結構內均可逐漸伸展、遷移并連接,驗證了流道網絡的傳輸營養/氧氣的有效性。

    圖6 培養第6天時,乳腺癌細胞在結構內逐漸伸展并連接

           隨后我們驗證了通過內皮細胞自動沉積生成血管化通道的可行性,經驗證內皮細胞可以自沉積并粘附到血管流道內壁,并隨著體外培養而增殖,最終覆蓋并內皮化流道網絡,形成功能化的內皮管腔。(圖7)。

    圖7 內皮細胞自動沉積,可以有效的無死區的內皮化流道,同時內皮細胞在流道內增殖、伸展連接形成功能化的內皮管腔

         最后基于血管+結構一次性打印策略,我們打印了血管化的腫瘤組織,癌細胞在血管化組織結構內伸展,連接,同時內皮細胞覆蓋并內皮化流道網絡,最終形成功能化的血管化腫瘤組織(圖8)。

    圖8 血管化腫瘤組織

           與此同時,隨著長時間的培養,內皮細胞會產生血管新生芽朝向腫瘤組織內部生長(圖9),而且癌細胞會逐漸向血管流道方向遷移(圖10)。這些實驗結果說明打印的血管化組織具有相應的生物功能,模擬出了腫瘤組織的血管化、遷移和侵襲等特性。

    圖9 血管出芽

    圖10 癌細胞遷移

          最后,我們還打印血管化骨組織(圖11),再次驗證血管化大組織打印策略的有效性,血管+結構一次性打印方法突破了大塊組織的體外制造瓶頸。

    圖11 血管化骨組織

           血管+結構一次性打印方法簡單實用,可有效的,無死區的使復雜血管流道網絡血管化,促進了細胞的存活、伸展、遷移、連接及血管化組織的新生。同時載細胞墨水和犧牲墨水同軸打印自支撐實體結構,使得復雜結構的制造更加容易。而且,采用多合一噴頭,可實現多組分血管流道結構的打印,使得多細胞或多細胞外基質的組織結構制造成為可能。此外,打印的血管流道結構后續可通過灌流培養,進行實時灌流下的血管化組織發育成熟過程研究。血管+結構一次性打印方法特別擅長于大尺寸組織的體外重建。

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