《Nature》最新发现：用于3D打印的活体生物材料，为4D生物打印奠定了基础

来源：誉文编辑

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-02263-7

3D打印技术的快速发展使得直接使用活体油墨（细胞和聚合材料的组合）打印类似器官、细胞密度的组织的前景更加光明。活体油墨置于生理条件下时，细胞对聚合物基体施加机械力，并动态改变油墨的形状和机械性能。为了促进组织工程3D打印技术的发展，需要对活体油墨的性质有定量的了解，这样，一旦将活体油墨放入培养基中，其形状的演化就可以被预测，或许还可以被控制。

细胞生成力下三维生物打印结构元素的定量表征

Morley等在《自然通讯》上发表文章，是迄今为止对活体油墨及其机械性能最完整的定量描述之一。他们的发现为4D生物打印奠定了基础，在这个过程中，打印的生物材料可以通过一系列形态发生步骤（改变打印物体形状的生物过程），最终形成功能和结构上先进的形式。

最广泛使用的3D打印机是基于挤出的设备，在这种设备中，油墨被推入喷嘴，形成具有特定直径和几何形状的丝状物。组织工程师已经开发出一种微颗粒的浆液，这种浆液中含有软物质，如细胞和细胞外基质（ECM；将细胞绑定到组织中粘结剂）的混合物；可以用于3D打印技术。浆液可以防止所产生的结构元件在重力作用下坍塌。在他们的实验中，Morley等人使用了一种自由形式的打印技术，将活体油墨的细丝挤压成由聚合物微粒形成的浆液，当打印头在介质中移动时，聚合物微粒会变成液体。

活体油墨由活体成纤维细胞（动物结缔组织中最常见的细胞）和无处不在的ECM蛋白胶原1组成，后者提供了一种可以使成纤维细胞附着的基质材料，并引起收缩。打印出来的丝状物有一系列的几何形状，并由不同的成纤维细胞和胶原蛋白1组成。作者使用丝状物作为打印组织最简单的构件——类似于建筑物支撑框架（桁架）中的一根单梁。

多功能凝胶在芯片上的组装

Morley等人测量了打印后丝状物几何形状随时间的变化，这些细胞对胶原蛋白1施加牵引力，并重构了基质的结构。通过系统地改变丝状物的厚度和长度，以及它们的胶原蛋白1和细胞组成，作者对生物材料丝状物的力学特征有了全面的了解。虽然这项研究仅限于简单几何形状的丝状物，但从原则上讲，得到的数据可以用于描述某些组织变形的力学模型，这些组织中含有更复杂几何形状和图案的丝状物。

在关键系列实验中，作者观察了四种类型的丝状物在细胞牵引下的行为，这些行为可以用丝状物的材料特性和微粒子浆液的刚度来定量解释（图1）。在刚度较低的微颗粒浆液中，丝状物弯曲成波浪状，可减轻细胞施加的内应力。然而，如果浆体材料刚度较高，就可以防止屈曲。在中等刚度浆液下，根据纤维中胶原蛋白1的浓度，丝状物要么断裂成小片段，要么缩短。作者提出了一个理论框架，可预测3D打印机的可控参数将如何决定将发生的行为。

图1活体丝状物的可预测变化

Morley等使用3D打印机在一种由生长介质中悬浮的微小聚合物颗粒组成的浆液培养材料中打印“活体油墨”丝状物。活体油墨是由成纤维细胞和胶原蛋白1（一种结构蛋白）混合而成的。作者观察到，根据浆料的刚度和油墨中胶原蛋白1的浓度，丝状物具有以下四种行为。a、当微颗粒浆料的刚度较高时，丝状物不改变形状。b、当浆料的刚度较低时，丝状物发生屈曲。c,d、在中等浆料刚度下，当胶原蛋白1浓度较低时（c），较长的丝状物断裂为较短的段；当胶原蛋白1浓度较高时（d），较长的丝状物缩短。作者对丝状物行为的定量分析为组织工程中使用3D打印技术提供了依据。

Morley等认为他们的理论框架为4D生物打印提供了定量的工程指导方针。例如，我们可以想象细胞和ECM组件的打印排列，这些组件可以自发地改变形状，从而创建组织和器官的合成表示，例如肾脏、肺或血管，这些组织和器官比目前能够实现的更逼真。

然而，在这一设想成为现实之前仍然存在挑战。使用4D生物打印技术设计功能性组织，需要将大量的活体细胞和ECM组件整合到打印机挤出的材料中，所有这些都可能引起生物化学和机械相互作用。在一组相互连接的桁架组合中，多根耦合丝状物有何表现?他们将如何相互推拉？细胞动力学本身会随着结构曲线而变化，还是会变得更紧密?同样不清楚的是，如何利用形态发生过程来设计更复杂的物体，以达到稳定的结果，或者这些过程对于Morley及其同事们尚未分析的细胞行为（如增殖、分化和运动）仍然稳健。

最后，应该指出的是，所有基于挤压的打印技术都存在空间分辨率问题。有趣的是，Morley及其同事们的观察结果表明，组织工程有一种可能的解决方案：他们发现丝状物在一定的参数范围内收缩。在这种情况下，组织就像ShrinkyDinks（一种加热后会收缩，但仍保持原有形状的玩具。因此，打印组织结构的有效空间分辨率可能通常比打印机喷嘴直径允许的要好得多，因为细胞牵引在整个打印对象中均有压缩效果。因此，4D生物打印技术的挑战为工程师们提供了令人兴奋的机会，使其能够揭示组织发育过程，并将其视为可控的设计对象。

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