基于双光子3D打印技术构建含三维软质微流道的可灌注大尺寸体外组织

供稿人：刘颖洁、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

工程化组织和类器官的血管化已经成为了再生医学领域的一个关键未解决难题。虽然已经有多种用于解决体外组织血管化问题的方法被提出，但其均无法形成充足且密集的微尺度血管网络以灌注大型新生组织。为了构建毛细血管尺度下的三维流道以实现对立方毫米尺度下组织结构的灌注，比利时鲁汶大学的Adrian Ranga团队基于水凝胶-双光子3D打印技术精准制造了微米尺度下的三维软质微流道，并进一步构建了大尺寸血管化生物芯片。

图1 利用软质微流道实现生物芯片微血管化

如图1a所示，集成后的3D打印生物芯片能同时培育8个多路复用的3D软质微流道毛细血管网格。单个毛细血管网格如图1b所示，该网格使用非膨胀性光聚合水凝胶前体，通过高分辨率的双光子立体光刻技术构建，该打印技术能高重复地生产最小为10μm的特征结构。研究团队通过在大于100台制造仪器上测试，证明该打印技术生产的毛细血管网格制造成功率大约为90%。图1c展示了不同外径（顶行）和壁厚（列）的圆柱体阵列，其单位为μm。图1d为单个毛细血管网格的微流控CAD示意图，其中软质微流道用红色显示，结构组件用灰色显示，流体基于毛细作用从底部结构组件向微流道运动，并穿过流道壁面向外渗透。图1e使用25μM的荧光素对毛细血管网格进行灌注，在几分钟内网格整体就能被荧光素充斥。图1f显示了毛细血管网格上的组织接种过程，通过移液枪将人多功能干细胞球体手动分装入网格之中。球体在芯片中培养24~36小时后，聚集形成了固体组织。上排图像示意性地对下排图像过程进行了表征，球状体和最终形成的固体组织用蓝色表示。

图2 三种培养方式下长期培养的脑皮层类器官（比例尺1mm）

分别在培养皿中（控制组）、非灌注毛细血管网格中和灌注毛细血管网格中对类器官进行长时间培养，其培养过程中的明场影像如图2所示。在控制组和非灌注组中，当培养时间达33天时，类器官基本停止发育；而在灌注组中，类器官发育情况良好且逐渐布满了整个毛细血管网格。该结果证明灌注毛细血管网格有利于大尺寸体外组织模型的培养。

综上，本文通过水凝胶-双光子3D打印技术构建了毛细血管网格，成功克服了体外工程化组织和类器官培养中面临的组织灌注不足问题。在未来有望应用于疾病模型构建和药物开发之中。

参考文献：
Grebenyuk S, Fattah ARA, Kumar M, et al. Large-scale perfused tissues via synthetic 3D soft microfluidics[J]. Nature Communications, 2023, 14 (1).