生物3D打印具有电子嗅觉潜力的生物鼻子

来源：EngineeringForLife

从结构的相似走向功能的逼近是生物3D打印的必然趋势，来自哈佛大学医学院的团队在常见的软骨打印基础上，演示了集成生物传感功能的生物鼻子原型，展示了生物3D打印再现复杂组织功能的光明前景。

近期发表在Advance Science杂志上题为“A 3D‐Printed Hybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”的文章，来自哈佛医学院的Su Ryon Shin团队。

在这里，Su Ryon Shin团队开发出一种软骨细胞负载的三维生物打印软骨样结构，带有电子嗅觉模拟生物传感器。由甲基丙烯酰化水凝胶（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）组成的光交联水凝胶生物墨水可以通过调节生物墨水的机械性能，形成一个机械稳定、生物相容的三维微环境，以支持软骨细胞的生长和分化。因此，可以优化由不同水凝胶浓度组成的具有硬和软机械性能的两种不同的生物墨水，以模拟鼻软骨天然ECM的机械性能，从而允许鼻软骨组织的形成。

图1  3D打印电子鼻软骨示意图

通过增加硬层数，可以获得更高的几何精度和力学性能。这种可调性对于具有复杂打印模式和喷嘴在所有X、Y和Z方向移动的3D生物打印结构尤其有用，即3D鼻模型中的喷嘴移动。不仅如此，增加结构的整体刚度可以抑制细胞的生长和ECM的分泌。在这种情况下，使用更高的软硬比将为软骨细胞生长提供更合适的基质。不同软硬比试件的力学压缩试验表明，1:0、1:1和1:2的杨氏模量无显著差异。然而，杨氏模量在2:1和1:2之间显著增加。结果，选择（1:2）的比例来创建具有结构完整性的复合结构，同时提供与软骨细胞生长和软骨发育所需的ECM相同的力学性能。

图2  3D打印鼻在不同软硬层数比时的性能表征

充满细胞的柔软和坚硬的印刷层组成的3D打印结构可以作为一种合适的支架，用于软骨细胞的播种和封装，以改善3D中的软骨生成行为并促进软骨细胞外基质的沉积。该团队首先将软骨细胞封装在软性生物墨水中，并在双喷嘴打印过程中使用含细胞软墨水和无细胞硬墨水打印多材料结构。接下来，让充满细胞的结构物稳定下来，并在体外培养2天。为了提高细胞的活力和增加整个大尺度结构的细胞密度，在打印后的第2天，在打印的结构上种植更多的软骨细胞。将软骨细胞接种到印刷体上也可以提高细胞信号和整个结构的互连性。

图3 载细胞墨水在体外培养过程中的特性表征

在优化印刷和软骨发育成熟后的下一步是创造一种结合传感能力的混合鼻结构。印刷鼻孔模型的凸几何形状以及鼻孔腔需要一个具有卷曲和凹凸的相对褶皱的印刷图案。当传感器室暴露在外时，在两个功能化传感器上打印双墨水电池负载的鼻子（图4a，d）。为了更好地说明使用颜色对比的鼻子的多材料印刷，图4c中的鼻子使用1:1的墨水比例印刷（硬层显示为绿色，软层显示为红色）。

图4 生物传感系统与3D打印结构的集成

EIS是一种无标记的检测方法，最近被用作一种快速可靠的方法来检测各种化学气味、空气中的病原体和具有高灵敏度的生物标记物。类似于嗅觉上皮的传感机制，EIS系统可以通过创建一个类似于通过鼻粘液的传感平台来模拟气味结合机制。该团队采用这种检测方法开发了杂交鼻子的生物传感组件（图5a），基于Au的生物传感在生物传感器官能团中提供了高度灵活性，用多种天然或合成受体检测各种各样的化学结构，包括爆炸物和人类难以察觉的生物分子。

图5 生物传感检测TNT分子机理与过程

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901878