用于制造血管化组织的高细胞密度和高分辨率3D生物打印

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　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

生物组织中高细胞密度特征（HCD）对维持组织的正常功能至关重要，天然人体组织的细胞密度通常为10亿-30亿个细胞/mL，然而目前用于组织生物打印的细胞密度仅为100万-1000万个细胞/mL。此外，由于缺乏在组织内部同步制造可灌注血管网络的能力，工程组织的厚度受到限制。因此，为了更贴近天然组织，在3D工程组织中实现HCD打印和高分辨率血管网络打印至关重要。

近年来，基于数字光处理（DLP）的生物3D打印由于其高分辨率、高细胞活力和高速度而成为一种有前途的生物制造技术（图1D）。在理想情况下，打印层将与光投影截面的形状完全匹配。然而在生物墨水中掺入细胞会引起严重的光散射，导致打印层不能复制投影截面的精细细节，所以目前相关研究仅限于低细胞密度（≤1000万个细胞/ml）。

为了解决此问题，来自美国加利福尼亚大学的Shaochen Chen团队在GelMA生物墨水中加入碘二醇（IDX），从而可以精确地调整生物墨水的折射率，使其与被包裹细胞的细胞质折射率相匹配，最大限度地降低细胞引起的散射效应（约10倍），从而大大提高分辨率 （图1B，1C）。使用此改良墨水，研究者实现了250μm厚度的辐条形和雪花形3D结构的HCD（1亿个细胞/mL）高精度（≤50μm）打印。

图1 基于DLP生物打印方法实现HCD高精度打印

研究者使用研发的生物墨水，掺入4000万个细胞/mL，3D打印了尺寸为17mm × 11mm × 3.6 mm的预血管化厚组织结构（图2A），其中血管直径范围为250 ~ 600 μm（图2B，2C，2D），随后使用微流体蠕动泵对组织进行灌流培养至14天（图2A）。结果表明，用于灌注培养的血管网络提高了细胞存活率（66%）（图2E），细胞沿着打印的管腔形成了致密而均匀的内皮细胞单层，打印管腔外出现血管新生，而且出现了两个血管通道合并/分裂现象（图2F，2G），这证实了HCD高精度3D打印功能化预血管化组织的可行性。

图2 血管化可灌注厚组织的3D打印及结果表征

研究者通过在GelMA生物墨水中添加IDX，同时实现了HCD、高活力和高分辨率的3D生物打印，制造了厚组织内精细血管网络，这项工作代表了在3D生物打印中实现高分辨率和HCD的最先进技术。此外，这种技术可拓展应用于大多数生物材料和细胞类型，除了DLP方法之外，该方法还可以应用于其他基于光的3D打印技术，为制造功能性大规模、临床可移植的组织或器官提供重要基础。

参考文献：
You S, Xiang Y, Hwang H H, et al. High cell density and high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularized tissues[J]. Science Advances, 2023, 9(8): eade7923.