利用电流体动力学印刷的微晶格引导3D多方向细胞排列的技术

供稿人:徐维维 高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

许多天然组织都具有高度排列的细胞结构，体外设计具有类似功能的人工组织类似物也需要高度排列的细胞结构，以实现相应生物学功能。西安交通大学制造系统工程国家重点实验室以及西安交通大学陕西省快速制造研究中心团队提出通过将细胞-胶原蛋白混合悬液浇铸到预先设计好的基于电流体动力学印刷的微晶格中来引导3D细胞定向排列，且利用该技术设计的高度对齐的功能性心脏结构显示出同步的收缩活动，表现出成熟的心肌特异性。

图 1 电流体动力印刷的微晶格的示意图和特征

传统细胞定向方法例如机械拉伸、表面化学处理等方法局限于二维细胞的排列；而利用光、电等体外刺激引导细胞排列，也只能实现单向细胞排列，难以实现复杂的3D结构中细胞的有规律排列。

电流体动力学印刷的3D纳米结构具有纤维取向灵活的特点，而结合了水凝胶的电流体动力学印刷的超细纤维表现出了与天然组织相似的生物力学价值。因此西安交通大学研究团队利用电流体动力印刷的微纤维结构以及载有细胞的水凝胶组合，产生具有高度取向性的体外人工组织。利用电流体动力学印刷的微晶格引导3D多方向细胞排列的方法，在预先设计的微晶格中的活细胞和胶原纤维均均匀地逐渐迁移到微晶格间距的中心区域，并沿打印微晶格的纵向方向伸长以形成密集且高度对齐的细胞带。

图 2 弯曲微晶格内的细胞排列以及多种细胞类型的排列

此外，当设计微晶格并以层特定的细丝方向进行电流体动力印刷时，可在3D胶原蛋白水凝胶内实现多方向细胞排列，为设计和实现复杂3D结构中的细胞高度定向排列提供了可能。

该技术巧妙结合现有研究特性，3D结构中细胞的高度排列得以实现，由于细胞排列受电动流体动力学印刷的特征所影响的，因此可以通过改变微晶格结构来灵活地调整细胞取向的方向，且可以广泛适用于多种类型的细胞，包括无任何外部刺激的原代心肌细胞。对细胞和胶原纤维的动态排列过程的微观研究有助于探索高度排列的细胞带自主形成的机制。该技术也可以为工程学中复杂的体外3D组织提供细胞高度定向方法，在组织工程和再生医学中具有许多潜在应用。

参考文献：
Mao Maoa, Jiankang He, Zhi Li , Kang Han, and Dichen Li . 2020.” Multi-directional cellular alignment in 3D guided by electrohydrodynamically-printed microlattices.” Acta Biomaterialia 101 (2020) 141–151.
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