基于液滴生物打印制造细胞-水凝胶-微纤维复合组织前体

来源：生物设计与制造


本研究论文聚焦多液滴融合打印的技术创新与应用实例。复合材料能结合各组分材料优势实现独特的材料性能，在许多组织工程应用中具有特殊价值。将水凝胶和纤维支架相结合可以增强组织结构的生物和结构功能性，但开发有效且可扩展的方法用于制造此类复合材料存在挑战。本工作使用一种基于液滴的生物打印系统 (reactive jet impingement, ReJI) 将载细胞水凝胶与微纤维网络支架集成在一起。该打印系统的两个微阀式喷嘴分别连接至不同的生物墨水墨盒，产生对应墨水的液滴，液滴在空中碰撞融合后发生交联形成水凝胶，最后沉积至微纤维网上。

以胶原蛋白-海藻酸钠-纤维蛋白水凝胶基质包裹两种不同浓度（5×106和30×106 cells/ml）的人真皮成纤维细胞作为生物墨水，生物打印到微纤维网络基底上制备出细胞-水凝胶-纤维复合材料。结果表明，这两种类型的细胞-水凝胶-微纤维复合材料保持了较高的细胞活性，并促进了细胞-细胞和细胞-生物材料相互作用。较低的成纤维细胞密度引发细胞增殖，而较高的成纤维细胞密度有助于细胞更快地组织和渗透到微纤维中。

此外，复合材料的纤维成分具有高溶胀和快速释放钙离子的特性。本工作制造的复合结构为薄片状组织工程提供了一种制造高度功能性支架的方法，特别是伤口愈合和皮肤组织工程应用。

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图1 基于液滴的生物打印设置。(a) 打印系统示意图。安装在定制打印头中的微阀喷嘴喷射生物墨水，打印头安装在商用JetLab 4 XL 打印机上。微阀喷嘴连接至不同的生物墨水墨盒，并在半空中相互喷射生物墨水液滴，液滴碰撞后交联形成凝胶，沉积在基底上。每个微阀喷嘴连接到驱动器上，控制微阀的打开和关闭，同时还连接到气压控制系统和打印机输入。(b) 打印系统组成：(1)生物墨水墨盒；(2)打印平台；(3)打印头和微阀喷嘴；(4)细胞搅拌系统；(5)压力调节系统。(c) 安装两个微阀喷嘴的打印头

图2 (a) 海藻酸钙衰减全反射傅里叶变换红外光谱；(b) 海藻酸钙纤维网SEM图，标尺200 μm；(c) 海藻酸钙纤维网在DPBS中溶胀；(d) 海藻酸钙纤维网释放到DPBS中钙离子浓度

图3 (a) 复合结构SEM显微照片，细胞负载水凝胶直接打印在纤维网上，白色正方形表示图3b中的活/死图像的大致区域；(b) 以5 M cells/ml和30 M cells/ml细胞密度打印在微纤维网上的Neo-NHDF细胞在第1、3、7天活死染色。绿色表示活细胞，红色表示死细胞。标尺: a 1 mm, b 500 μm

图4 打印在盖玻片或微纤维网上的包裹在水凝胶中的Neo-NHDF细胞代谢活性，细胞密度: (a) 5 M cells/mL和(b) 30 M cells/mL；(c) 细胞-水凝胶-微纤维结构中Neo-NHDF细胞含量；(d) 打印在微纤维网上Neo-NHDF细胞代谢活性

图5 在第0、1、3、7天共聚焦观察打印在微纤维网上由水凝胶包裹的Neo-NHDF细胞，细胞密度为 5 M cells/mL 和30 M cells/mL。蓝色、红色和绿色染色分别显示细胞核、肌动蛋白和纽带蛋白。白线表示富含细胞的水凝胶组织受到纤维的影响。比例尺：100μm

图6 第1和3天Neo-NHDF细胞组织，细胞密度: (a) 5 M cells/mL 和 (b) 30 M cells/mL；在第0、1、3、7天共聚焦观察打印在微纤维网上由水凝胶包裹的Neo-NHDF细胞，细胞密度: (c) 5 M cells/mL 和 (d) 30 M cells/mL。蓝色、红色和绿色染色分别显示细胞核、肌动蛋白和纽带蛋白。比例尺：a, b 100μm；c, d 50μm

图7 细胞-凝胶-微纤维复合结构第1、3、7天SEM显微照片，细胞密度为 5 M cells/mL 和30 M cells/mL。红星和绿星分别表示细胞/细胞层和生物打印的胶原蛋白/海藻酸钠/纤维蛋白 (CAF)基质。第7天形成致密细胞，很难区分细胞和水凝胶基质。比例尺：200μm

图8 (a)复合结构的SEM显微照片显示5 M cells/mL 和30 M cells/mL neo-NHDF细胞的ECM沉积物，红星和蓝星分别表示细胞和ECM沉积物；(b) 培养21天后复合结构的H&E染色显示了细胞渗透、增殖和ECM产生。黑星表示交联的胶原蛋白/海藻酸钠/纤维蛋白 (CAF) 基质在第1天被染成亮粉色，橙色星表示结构内存在纤维/空洞。比例尺：a 20μm；b 200μm