清华大学张婷、熊卓团队：用于3D打印的载细胞微凝胶基双相生物墨水

来源： EngineeringForLife

用于3D打印的生物墨水通常是具有适当的流变性特性的，这也是3D打印材料选择的最重要因素。此外，墨水还需要满足高形状保真度和理想微环境的要求。来自清华大学的张婷副研究员和熊卓副教授团队合作，开发了一种载细胞的微凝胶双相生物墨水（MB），在组织工程和软机器人等生物医学领域有着巨大的应用前景。

相关论文“3D Printing of Cell-Laden Microgel-Based Biphasic Bioink with Heterogeneous Microenvironment for Biomedical Applications”发表于杂志Advanced Functional Materials上。

与传统的生物墨水相比，该生物墨水由两部分组成:(1)密排状态下的微凝胶为离散相，形成生物墨水的第一个网状结构;(2)水凝胶前驱体作为连续相渗透到空隙中，在微凝胶之间形成第二个聚合物网络。首先研究者以GelMA为载体，发现MB生物墨水在3D打印过程中表现出良好的挤出和结构稳定性，可以显示出明显的两相，并且该墨水形成的凝胶能够满足细胞的增殖和扩散。这种方法具有很大的通用性，允许从多种材料、各种尺寸和细胞密度制备细胞负载微凝胶。（图1）

图1 细胞负载MB生物油墨的制备与3D打印

生物墨水的流变性对挤出式生物打印至关重要。研究者比较了MB生物墨水与本体水凝胶和传统的微凝胶基（JM）生物墨水的流变性能。如预期的那样，在室温下，随着剪切速率的增加，所有墨水粘度降低，并且微凝胶组分的添加增加了MB生物墨水的粘度。与传统的GelMA水凝胶墨水相比，MB生物墨水的粘度与温度无关。研究者使用海藻酸钠和GelMA作为墨水的前驱体发现，挤出打印所需的流变特性依赖于微凝胶的紧密堆积状态，而与微凝胶和第二网络的组成无关。

图2 MB生物墨水的流变性及组成的多样性

接下来研究者研究了MB生物墨水的可打印性，发现由于阻力较小，微凝胶被间隙水凝胶前体均匀挤出，通过405nm灯后交联进一步稳定，相邻层间有良好的互联性。并且该生物墨水能够打印出各种复杂的人体器官仿生结构。（图3）

图3 使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度

然后研究者比较了不同墨水的力学性能，与GelMA本体水凝胶相比，MB生物墨水和JM生物墨水表现出更大的弹性，此外，对于MB生物墨水来说，微凝胶在压缩条件下被进一步限制在第二个网络内，因此与JM生物墨水相比具有相对较高的弹性模量。MB生物墨水具有非凡的结构稳健性和循环性能。（图4）

图4 MB生物油墨打印结构的力学表征

研究者将HepG2和HUVEC分别封装在MB生物墨水的微凝胶和水凝胶前体中打印肝组织。发现HUVEC主要存在于MB生物墨水组的微凝胶间区域。与纯水凝胶生物墨水相比，MB生物墨水组的HUVEC在第3和第7天表现出更高的增殖率，且形态延长，通过内皮细胞组装形成随机的管状血管结构，覆盖在HepG2微凝胶表面。MB生物墨水中有一个相对成熟的肝细胞基因和蛋白表达谱，能够增强肝功能和肝脏特异性基因和蛋白的表达。（图5-6）

图5 三维打印血管化肝组织构建可调异质微环境

图6 肝功能及肝特异性基因和蛋白表达水平的评价

综上所述，这种微凝胶基双相MB生物墨水的设计灵活，具有机械可调性、超弹性和异构微环境，为生物医学应用(如组织工程和软机器人技术)中的3D生物打印开辟了新的可能性。

文章来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109810