利用三维立体光刻技术构建具有非均质微机械环境的三维生物支架

来源： EngineeringForLife

我们知道，细胞外基质的微机械环境对组织的生长发育非常重要，人体内不同部位的细胞生存的机械环境也不尽相同。比如，血管内皮细胞需要经受血管的舒张以及血液流动对它产生剪切力的影响，肌腱细胞需要承受剧烈的拉伸变形，心肌细胞则需要提供长期的疲劳变形。组织器官内部微机械环境的改变有可能会引发各种心血管疾病和组织器官的癌变。因此，设计一个与原生组织相类似的细胞外基质微机械环境，对组织工程中组织器官的替换、药物筛选以及疾病建模非常有意义。但是构建三维空间上异质的微机械环境仍然是一个巨大的挑战，因为从机械工程的角度来看，三维结构几何形状的成型与机械刚度总是相互耦合，如何在保证结构成型的同时，实现不同区域机械刚度的调控是一个工程学上的难题。

对此，美国科罗拉多大学机械工程系Xiaobo Yin教授团队在Nature Communications上发表了题为Orthogonal programming of heterogeneous micro-mechano-environmentsand geometries in three-dimensional bio-stereolithography的研究论文。该论文通过应用三维立体光刻技术（DLP打印技术）对水凝胶材料进行具有机械异质性三维支架的打印研究，成功构建了具有不同刚度的水凝胶支架，为体外机械异质三维组织的制造开辟了新的途径。

在DLP打印技术中，水凝胶材料在光源的照射下进行交联，从而形成具有一定形状的凝胶结构，其中曝光剂量（曝光强度和曝光时间）是非常重要的工艺参数，它直接影响了水凝胶的交联密度和每层固化厚度，大剂量的曝光（过大的曝光强度或者过长的曝光时间）在提高水凝胶交联密度的同时，也会大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交联的过程中，氧气（O2）的存在会形成氧抑制区域，影响最后的打印结果。但在该研究中，他们发现控制一定程度的氧抑制层的存在，可以使得每层的固化厚度对曝光剂量不敏感，但是却可以很好地调节局部的交联密度，从而来构建局部不同的机械刚度，如图1所示。

图1 利用氧抑制的DLP打印原理

这样，既保证了水凝胶结构的打印精度，同时大大增加了曝光剂量的调控范围，使得水凝胶结构的刚度可以在一个较大范围内进行调控。为了演示水凝胶结构局部刚度的调控，研究人员打印了硬/硬、软/硬、软/软三种不同组合的细杆悬挑结构，如图2所示。同时，还构建了一个“外刚内柔”的兵马俑模型来体现同一模型内部局部机械刚度的调控能力。

图2 细杆悬挑结构和“兵马俑”结构的打印展示

图3 机械异质水凝胶支架的生物学性能表征

该打印策略构建的三维水凝胶结构在生物应用上更是大放异彩，研究人员构建了半软半硬的3D血管结构模型，并在其上接种了牛肺动脉平滑肌细胞（bPASMCs），细胞显示了良好的生长状况，如图3所示，有意思的是，在不同的刚度区域内，细胞的长势完全不同。bPASMCs细胞在高刚度区域（大曝光剂量）进行了非常好的黏附与迁移，但在低刚度区域（小曝光区域）却几乎没有细胞的黏附生长。这进一步说明了细胞外基质的机械异质性对细胞生长的调控作用，同时也揭示了利用该方法构建局部异质的微机械环境的能力，和及进行体外生物异质组织制造的潜力。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-06685-1