浙江大学研发一种高精度3D打印组织工程支架，力学强度可调、丝径孔径可控

来源：贺永科学网博客


聚合物3D打印技术可被用于制造生命科学领域的组织工程支架。常规3D打印技术精度控制在100-200微米量级（主要指打印出的纤维直径），然而细胞的尺寸在10微米左右。试想，如果用这样的组织工程支架去进行组织培养，那么支架丝径相对于细胞而言就好像是一座大山，那么，细胞爬满整个支架的效率很低。

如果将支架丝径降到接近乃至小于细胞尺度，会有什么有趣的现象呢？浙江大学贺永教授课题组提出了一种基于近场直写3D打印技术的力学强度可调、丝径与孔径可控的非均质支架（MEWHS），通过该技术制造的支架丝径在3微米-50微米之间可控。研究团队用这个支架研究了细胞与支架的相互作用，发现细胞可以像竹子一样定向生长，随着结构的变化，细胞在支架上有多种未见报道的现象。

调控支架结构诱导细胞的特定生长
作为细胞的载体，组织工程支架被广泛应用于三维细胞培养。而支架与细胞的相互作用也在组织工程领域引起广泛关注，支架的刚度、孔径等因素会显著影响细胞的粘附、增殖、分化等。

而传统的3D打印支架由于纤维直径远大于细胞尺寸，无法产生上述的相互作用。具有超细纤维的静电纺丝支架则由于纺丝过程不可控，只能获得均匀结构。浙江大学贺永教授课题组提出了一种基于近场直写技术制造的力学强度可调、丝径与孔径可控的非均质支架（MEWHS），通过调控支架结构诱导细胞的特定生长。

区别于传统的静电纺丝（纤维不可控）与熔融沉积（FDM）的3D打印（纤维直径太大），近场直写技术能够实现超细纤维（几微米到几十微米）的可控沉积。通过对近场直写路径的规划，可以调节支架各部分的孔径大小，调节细胞的粘附与生长速度。由于近场直写获得的纤维与细胞大小相仿，细胞的粘附将对纤维的直径变化非常敏感。通过对打印过程中各项参数调控，纤维直径能快速变化，辅以粗细纤维的特定排布，细胞在支架上将呈现不同的生长形态。

非均质支架原理示意图。来源：Materials & Design

不同细胞具有不同大小与形态，即使在同一支架上也会呈现不同形态。如BMSCs（骨髓间充质干细胞）通常能伸长超过100微米甚至200微米，而HUVECs则通常小于100微米。在孔径为200微米的支架上，BMSCs会直接跨过孔隙，在纤维之间“搭桥”，而HUVECs则会沿着纤维粘附，先把方孔围城圆形，再渐渐填满。

不同尺寸细胞在支架上的形态差异。来源：Materials & Design

利用近场直写的可控沉积，制造的支架可以具有不同的孔径与孔隙形状，为之后更深入研究细胞-支架相互作用提供可能。在实验中，研究人员接种了HUVECs的非均质支架，不同区域的细胞数量在第7天有了明显的区别。

孔隙不同的支架与细胞增殖的差异。来源：Materials & Design

研究人员探索了对纤维直径产生影响的多种因素，最后选择速度作为打印过程中控制直径的主要变量，实现在均匀的孔径下实现支架的非均质特性。在这种情况下，支架的不同区域具有不同力学强度，在不同方向的受力作用下，将产生不同程度的变形。通过更细致的直径调控，粗细纤维能组成复杂图案，如五角星、太极、求是鹰的图案（细纤维肉眼观察比粗纤维更透明）。

可控的纤维形成的具有不同力学强度与图案的支架。来源：Materials & Design

纤维直径不同也会对细胞粘附产生影响，细胞在接触粗纤维时更倾向于整体粘附与粗纤维表面，以圆形方式填充孔隙；而在接触细纤维时细胞则更倾向于以一端缠绕细纤维，进而形成“搭桥”。由此，细胞在特定排布的粗细纤维上，产生了明显的定向生长趋势。

细胞在特定粗细纤维排布上产生的定向效果。来源：Materials & Design

浙江大学贺永教授课题组提出的高精度3D打印非均质支架，提供了通过设计特殊支架结构来诱导细胞生长的策略，通过这一策略，组织工程领域的科研人员将能够更好地模拟体内复杂的环境。

相关论文”Structure-induced cell growth by 3D printing of heterogeneous scaffolds with ultrafine fibers”已被Materials & Design期刊录用。