嵌入式3D打印用于精确制造图案化的人类神经结构

供稿人：白路歌 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

制造神经3D模型需要在细胞外基质（ECM）的极软环境中控制细胞的空间排列，但常用于模拟ECM的软水凝胶缺乏打印结构完整性，使得制造具有精确空间排列的神经组织体外模型仍然具有挑战性。

嵌入式3D打印具有巨大的前景，因为它允许对极软组织结构进行精确的构图。来自瑞典隆德大学的Janko Kajtez等提出了一种称为自修复颗粒ECM（SHAPE）的复合材料作为嵌入式3D打印的支撑浴。如图1A所示，SHAPE由粘性生物功能聚合物溶液（由胶原蛋白、层粘连蛋白、透明质酸和纤连蛋白等ECM大分子组成，≈30%体积分数）和浸泡在其中的凝胶颗粒（粒径＜5um的藻酸盐水凝胶颗粒，≈70%体积分数）组成。依赖于高填充密度的颗粒组分，SHAPE在打印时表现出剪切变薄行为，即在静止状态下表现为固体，在低剪切应力下表现为粘性液体，并能够以可逆方式经历重复的固-液转变，这种流变特性导致SHAPE材料作为支撑浴能够实现精确的墨水沉积和在针的尾流中的快速自愈，保证了打印结构的精确度和完整性。同时由于组分中胶原蛋白的热交联性能，当温度升高至37℃时SHAPE发生不可逆凝胶化，使得打印结构具备长期的结构稳定性。

研究者将SHAPE作为支撑浴，嵌入式打印了直径为15mm的球形螺旋路径。如图1B所示，支撑浴中的印刷结构以高保真度再现，没有因打印期间针头的进入和移动而造成可见的偏移或损坏。

图1 在SHAPE支撑浴中进行嵌入式3D打印的过程示意图

图2分别为水凝胶样品在中性pH下，        温度变化的情况下表现出的凝胶转化特性，其中图2(g)为温度诱导的NS-HBC-MA溶液的溶胶-凝胶转变示意图。在低温条件下，羟基丁基的疏水性可归因于其高分散性。在凝胶化温度以上，HBC-MA之间的疏水相互作用增加，导致聚合物溶液的聚集和凝固。NS-HBC-MA中琥珀酰基的存在减少了疏水相互作用，需要高温才能形成水凝胶。这表明琥珀酰化的程度影响了聚合物溶液的凝胶化性质，且由图可以看出，溶液的凝胶化温度随溶液浓度的增加而下降，这些结果表明，NS-HBC-MA在生理温度下可以形成水凝胶，而琥珀酰化的程度和浓度对其凝胶化温度有很强的影响，度交联在功能上被证实是NS-HBC-MA的一种行为。

图2嵌入式打印的神经组织结构及细胞染色图

SHAPE既为高保真嵌入式打印提供物理支持，又为健康的细胞生长、成熟和活动提供细胞间微环境。基于SHAPE的嵌入式生物3D打印实现了人类干细胞的精确和可编程模式化，有潜力用于神经结构的功能建模，并且可以通过调整颗粒和粘性溶液的组分和含量、搭配不同的交联机制来适应其他组织类型、引入新的生物功能，为体外3D软组织的构建开辟了新的可能性。

参考文献：
Kajtez J, Wesseler M F, Birtele M, et al. Embedded 3D Printing in Self‐Healing Annealable Composites for Precise Patterning of Functionally Mature Human Neural Constructs[J]. Advanced Science, 2022, 9(25): 2201392.