水凝胶和3D生物打印在实现骨组织模拟物的结构复杂性方面发挥重要作用

来源：EngineeringForLife

生物打印的进步使得能够以高速和高分辨率制造复杂的组织结构。然而，组织内仍然存在显着的结构和生物学复杂性，目前的生物打印技术和所采用的材料对可以实现的规模，速度和分辨率施加了限制，使得该技术无法重现在骨骼中观察到的结构层次结构和细胞-基质相互作用。其中，水凝胶是模仿细胞外基质的理想材料，因为它们可以被设计成呈现各种有利环境同时还允许生物打印。

近日，来自伯明翰大学牙科学院的Francesca K. Lewns和Gowsihan Poologasundarampillai团队概述了水凝胶和3D生物打印在实现骨组织模拟物的生物学和结构复杂性方面发挥的重要作用，以及它们在指导干细胞重现干细胞生态位方面的责任。相关论文“Hydrogels and bioprinting in bone tissue engineering: Creating artificial stem-cell niches for in vitro models”于2023年4月23日在线发表于杂志《Advanced Materials》上。

1. 骨组织工程的障碍
目前骨组织工程的障碍主要包括：1）难以复制骨的结构和组织，以及其动态重塑过程；2）难以将功能性和成熟的血管化纳入其中；3）难以提供适当的器官级刺激（机械负荷和流体流动）。为了弥合工程组织和天然组织之间的差距，重要的是克服与3D生物制造策略相关的有限空间分辨率障碍，并创新以产生具有细胞宿主和材料配方的复杂层次结构。在研究生物和结构功能时，还应同步考虑使用材料配方和生物物理线索构建特殊微环境直至细胞表型效应的过程（信号——化学、物理和机械）（图1）。

图1 骨结构及与3D生物打印的结合

2. 生物材料挑战：材料特性
ECM支持并影响重要的细胞过程，包括形态、迁移和命运。细胞对生物化学和生物物理刺激（图2a）以及氧气水平和营养浓度的反应来感知和修饰其基质，所有这些因素都有助于微环境生态位。机械敏感性反馈在骨组织中很重要，由于周围环境的外部物理和流体力而改变其表型和功能，以调节组织形成（图2b）。

图2 （a）细胞行为微环境的生物物理线索示意图；（b）在骨细胞中描述的与几种生物成分的机械感应和反应的细胞过程

3. 细胞附着和组织
通过生物化学和生物物理线索促进细胞附着在水凝胶基质上是优化的一个关键方面。作者在此部分详细叙述了水凝胶结构在细胞附着和组织中的作用，图 2a 显示了生物物理线索的总体概括，主要包括：（1）水凝胶刚度在细胞迁移、增殖和分化中的作用（图3a-b）、（2）水凝胶粘弹性对细胞迁移、增殖和分化的影响（图3c-f、图4）、（3）水凝胶降解在细胞迁移、增殖和分化中的作用、（4）水凝胶3D结构在细胞迁移、增殖和分化中的作用。

图3 水凝胶刚度（a-b）和粘弹性（c-f）对细胞反应的影响

图4  (a-b) 水凝胶粘弹性和(c)降解对重塑粘弹性的作用

4. 骨组织沉积和重塑
本节描述了如何微调生物材料的特性以将细胞行为局部引导至单个细胞。增材制造，特别是生物制造，非常适合将生物物理线索从局部扩展到器官水平。生物制造可以通过引入自上而下的方法来创建类似于骨骼的复杂、多变的结构，从而克服宏观空间和机械的复杂性，并可以为多样化的空间布置提供解决方案，以提供组织匹配的机械性能。例如，水凝胶网络结构和网孔大小是影响新组织形成的关键结构组成部分，支架中的结构线索在调节血管化方面发挥着特殊作用；此外，纳米尺度的对称性和无序模式，以纳米线索的形式已被证明可以作为生物活性设计。

5. 骨组织工程生物打印
生物打印是生产密切反映组织和器官各向异性复杂性质的结构的几种方法之一。在生物打印中，有不同的制造策略，包括基于液滴、基于挤出和激光辅助打印，以及立体光刻。

作者在本节重点介绍了3D生物打印技术如何用于组织制造领域的创新，主要介绍了当前组织制造面临的挑战以及最新进展，还介绍了生物打印方面的关键创新。作者在表1总结了不同的生物打印技术及其优点和局限性。

表1 目前3D 生物打印技术及其优点和局限性概述（部分）

最后，作者结合一些实际案例对近年来生物 3D 打印的实际进展进行了说明，这些创新使大型组织和多材料打印成为可能，使其具有良好的分辨率和更高的细胞活力。

6. 结论和展望
由于组织工程是一个跨学科领域，关键挑战仍然存在于本综述强调的三个不同领域——BTE、水凝胶设计和先进制造的 3D 生物打印。为了创建完全具有代表性的体外组织模型，需要对潜在疗法进行长期、完整的结构测试，研究人员必须确定这三个领域中未满足的要求：

1）首先要再现的器官的动态特性，即复杂性、血管形成和器官水平模拟；

2）二是水凝胶的开发和进步，它可以概括干细胞微环境生态位并指导适当的细胞表型；

3）3D生物打印在水凝胶和3D构造开发和组织成熟所需的复杂骨骼结构之间架起了一座有效桥梁。技术的进步，包括体积打印、多材料打印和基于微流体的打印，极大地提高了打印速度、分辨率和复杂性，这些障碍可以通过水凝胶配方的协同发展和生物打印技术的融合来克服。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202301670