嵌入式3D生物打印有望攻克复杂细胞组织结构

频道：3D打印案例日期：2023-11-14 浏览：180

       三维生物打印是一种先进的组织制造技术，允许通过逐层精确定位多种细胞类型来打印复杂的结构。嵌入式生物打印是一种凝胶中凝胶方法，旨在克服生物打印的重力和悬垂限制，以打印微米级分辨率的大尺寸结构。在嵌入式生物打印中，通过颗粒介质内的针移动，支撑浴的溶胶-凝胶转变将促进生物墨水沉积到微凝胶或颗粒支撑浴中。
      近日，来自印度SASTRA认定大学的Dhakshinamoorthy Sundaramurthi和Swaminathan Sethuraman团队概述了各种嵌入式生物打印策略以及嵌入式系统中使用的聚合物，这些聚合物在制造具有微米级分辨率的复杂血管化组织或器官模型方面具有优势、局限性和功效。此外，还讨论了支撑浴系统的基本要求，还详细阐述了使用支撑浴辅助打印方法打印的器官或复杂几何形状，设想了临床转化的挑战以及这些嵌入式生物打印模型取代天然器官的未来范围。
     相关论文“Embedded 3D bioprinting – An emerging strategy to fabricate biomimetic & large vascularized tissue constructs”于2023年10月21日在线发表于杂志《Bioactive Materials》上。3D生物打印是一种新兴的增材制造技术，其中生物墨水以逐层方式分配，以预定义的图案生成三维物体。生物墨水是水凝胶、细胞和生物分子（生长因子）的混合物，有助于在打印过程中保护细胞，同时维持细胞功能。作者简要列出了喷墨、激光和挤出生物打印方法及其特点、优点和缺点之间的比较。

表1 不同生物打印技术之间的比较

嵌入式生物打印是一种新的增材制造技术，最初源自嵌入式3D打印，用于制造应变传感器，软件机器人和复杂的器官模型。有几种类型的嵌入式生物打印方法，例如全向打印（图1A），客体-宿主（Ghost）书写（图1B），颗粒凝胶培养基（图2），悬浮水凝胶的自由形式可逆包埋（FRESH，图2），嵌入式多材料挤出生物打印（图3），放置在琼脂糖浆液悬浮液中的构建体（CLASS，图3），牺牲写入功能组织（SWIFT，图4），体积生物打印（图5），以及开发其他几种自由形式的生物打印策略来打印复杂的结构（图5-6）。此外，作者总结了不同嵌入式生物打印策略及其优点之间的比较（表2）。

图1 全向印刷工艺和客体-宿主（Ghost）书写

图2 颗粒凝胶和FRESH嵌入式生物打印策略的示意图

图3 使用多材料和CLASS嵌入式生物打印技术开发的构造

图4 基于SWIFT的嵌入式生物打印

图5 涉及体积生物打印和流体支持的液体界面聚合（FLIP）的步骤

图6 使用AAfB打印的示意图和结构

表2 不同嵌入式生物打印方法的优势

一般来说，功能性生物墨水和支撑浴必须具有互补的关系和独特的流变特征，例如剪切-稀化特性、快速溶胶-凝胶过渡等，以印刷和保持具有形态和结构完整性的印刷结构。作者详细讨论了用于支撑槽的聚合物的关键特征，例如粘弹性、透明度、交联能力、后处理和提取。之后，作者简要分析了打印参数（如打印压力，打印速度，喷嘴直径，打印温度，功能性生物墨水浓度和支撑浴材料浓度）对印刷和结构的影响（图7）。

图7 优化打印链宽度，用于组织/器官的生物制造

生物打印结构需要通过与共价或非共价相互作用交联来稳定，以保持形状保真度和机械稳定性。由于弱水凝胶的表面张力，印刷结构在印刷后会变形，需要同时添加交联剂以保持形状。目前常用的交联方法有：离子交联、酶促交联和光交联。

支撑浴材料对于防止打印的三维复杂结构的坍塌非常有帮助。一些研究报告了在支撑浴系统中使用各种合成材料，如Laponite，Carbopol，Pluronic F127和天然材料，如琼脂糖，藻酸盐，丝素蛋白和明胶，以使用基于挤出的生物打印来制造复杂的器官。

三维生物打印能够高速打印具有可调机械性能的精确异细胞组织结构（如皮肤（图8）、软骨等）。然而，由于天然组织的复杂性和异质性，很难打印大的空心管状结构和完整的器官。基于支撑浴的方法有助于打印几种复杂的结构，包括螺旋形、Y形管状结构体、骨骼（图9）、肾脏、心脏血管结构和人脑等其它形状（图10），具有增强的形状保真度。