无需去除悬浮支撑的4S生物3D打印方法

来源： EngineeringForLife

悬浮生物3D打印被广泛用来制备具有精细特征的水凝胶结构，特别是工程血管网络的制造。悬浮生物3D打印可直接将生物墨水打印在悬浮支撑浴中，无需其他支撑介质。目前运用较为广泛的悬浮支撑浴主要包括颗粒状凝胶材料、复合凝聚材料和商用增稠类凝胶等。尽管悬浮生物3D打印在工艺、材料、结构等方面取得了许多进展，但其应用过程中依然面临着以下瓶颈：

1. 支撑浴通常使用温敏性或生物兼容性不佳的材料，打印后需要去除，在复杂结构，如多细胞结构制造上局限较大；

2. 支撑浴材料尺寸较大（>20μm），打印后表面精度不佳；支撑浴通常采用机械研磨或微流控方式制备，制备方式复杂，需要现配现用，难以存储，成本较高。

我们将淀粉类水凝胶引入悬浮支撑浴体系中，提出了无需去除悬浮支撑的4S（Simple，Storable，Stable，Scalable）生物3D打印方法。该悬浮支撑浴可通过加热淀粉颗粒和明胶进行制备，过程简单（Simple）;悬浮支撑浴可长期储存在4℃的冰箱环境，加热后即可作为悬浮支撑浴使用，无需现配现用，有较好的存储性（Storable）;悬浮支撑浴由微米级淀粉颗粒组成，微颗粒尺寸稳定（Stable）；悬浮支撑浴有很好的可扩展性（Scalable），可与多种打印材料及悬浮材料复合使用，如图1所示。

相关研究以“Removal-Free and Multicellular Suspension Bath-Based 3D Bioprinting”为题发表在《Advanced Materials》。浙江大学的贺永教授和浙江大学医学院附属第一医院胡懿郃主任为论文共同通讯作者，共同第一作者为浙江大学医学院附属第一医院李帅研究员、李建平研究员和许鉴研究员。  

图1 无需去除悬浮支撑的4S生物3D打印方法。A：悬浮支撑浴制备过程简单，B：悬浮支撑浴可长期储存，C：悬浮支撑浴淀粉颗粒尺寸稳定，D：悬浮支撑浴可扩展，E：悬浮支撑浴可应用在多种打印场景及其高精度、多细胞制造功能

研究内容
作者首先对淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴的机制进行了探索。由直链淀粉和支链淀粉组成的淀粉颗粒在加热后呈无序状态，直链淀粉和支链淀粉相互分离，淀粉凝胶化（Gelatinization），此时淀粉颗粒主要由支链淀粉组成；冷却后，直链淀粉重组，包裹在支链淀粉周围，形成不可逆的淀粉凝胶，也称为退火过程（Retrogradation）。在淀粉颗粒加热后引入明胶，直链淀粉和明胶之间氢键结合，阻碍退火过程，由支链淀粉组成的淀粉颗粒在此体系中呈现出无序状态，从而支撑悬浮生物3D打印过程。作者通过打印、离心、XRD和FTIR等手段，验证了该机制。如图2所示。

图2 淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴的机制研究。A：淀粉组成，B：淀粉在水中加热后的凝胶化过程，C：凝胶化淀粉在冷却后的退火过程，D：引入明胶阻碍凝胶化淀粉的退火过程，E：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴支持悬浮生物3D打印示意图，F：不同浓度淀粉类水凝胶可打印性，G：不同浓度淀粉类水凝胶离心后的淀粉颗粒体积，H：退火后的淀粉类水凝胶悬浮支撑浴倒置实验，I：退火后的淀粉类水凝胶悬浮支撑浴在不同条件下的打印结果，J：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴XRD检测结果，K：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴、淀粉和明胶FTIR检测结果   

进一步，作者针对工程血管网络制造，在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中打印了不同结构，验证了淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴的可行性；另外，海藻酸钠、壳聚糖、硫酸软骨素、GelMA、SilMA等材料加入到该悬浮支撑浴体系中，扩展了悬浮支撑浴材料的选择范围；流变性能测试验证了淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴所需的剪切变稀性和恢复性；工程血管网络制备方面，作者制备了不同结构的工程血管网络，包括分叉状结构、字母状结构、视网膜血管网络结构等，视网膜血管网络牺牲模板打印过程如视频1所示，其贯通性测试如视频2所示，验证了悬浮生物3D打印制备工程血管网络的灵活性。如图3所示。

图3 淀粉类水凝胶扩展悬浮支撑浴范围及工程血管网络制备。A：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内打印不同间距牺牲模板，B：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内打印不同层数牺牲模板，C：淀粉类水凝胶内引入不同水凝胶作为悬浮支撑浴，D&E：淀粉类水凝胶悬浮支撑浴流变测试，F：不同结构工程血管网络的制备，G：视网膜血管网络结构，H：视网膜血管网络打印路径规划，I：视网膜血管网络牺牲模板打印结果，J：视网膜血管网络贯通性测试结果   

在悬浮生物3D打印中，挤出墨水与悬浮支撑浴介质直接接触。因此，悬浮支撑浴中的颗粒大小直接影响工程血管网络的表面精度。人体血管网络为降低血液流动阻力，其内表面较为光滑。因此，为提升工程血管网络表面制造精度，作者探索了不同尺寸（品种）淀粉颗粒对工程血管网络表面粗糙度的影响。结果表明，尺寸为4.8±1.4μm的大米淀粉制备的工程血管网络表面粗糙度值最低（2.5±0.2μm），非常接近活体主动脉的内表面粗糙度（≈2μm）。研究进一步通过球囊止血模拟实验，验证了制备高精度工程血管网络的重要性。如图4所示。

图4 淀粉类水凝胶悬浮支撑浴提升血管网络表面精度。A：不同尺寸淀粉颗粒加热前后尺寸及可打印性，B：不同尺寸淀粉类水凝胶悬浮支撑浴制备的血管网络表面精度测试，C：不同尺寸淀粉类水凝胶悬浮支撑浴制备的血管网络表面SEM图，D：不同表面粗糙度血管网络止血效应，E：止血球囊和测试样品，F：不同尺寸淀粉类水凝胶悬浮支撑浴制备的血管网络止血模拟实验，G：不同尺寸淀粉类水凝胶悬浮支撑浴制备的血管网络阻血模拟结果   

针对三维实体结构的打印与制造，研究将海藻酸钠作为打印墨水，实现了不同结构在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中的打印，通过在37℃下去除悬浮支撑浴，可获得打印结构；另外，GelMA、SilMA、DexMA、AlgMA等材料可以与淀粉结合，作为打印墨水，在此体系下打印并光固化后，去除悬浮支撑浴，获得打印结构，扩展了打印墨水范围；作者进一步打印了分叉血管模型、人手模型和股骨模型，综合验证了淀粉类水凝胶也可以作为去除/牺牲材料，实现不同结构的制造。如图5所示。   

图5 淀粉类水凝胶悬浮支撑浴作为可去除材料制备三维实体结构。A：低粘度海藻酸钠在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中的打印结果，B：低粘度海藻酸钠在含有钙离子的淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中的打印结果，C：打印纤维长度定量分析，D：不同纤维结构的打印与制造，E：不同光固化墨水打印网格状结构，F：分叉血管、人手模型和股骨模型的打印

生物相容性方面，作者首先将内皮细胞注射到工程血管网络内，人体血管最重要的组成部分-内皮细胞膜可在培养一周后形成；进一步将MC3T3-E1细胞培养在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中，验证了细胞在该悬浮支撑浴中的活性、生长和成骨分化功能；另外，该悬浮支撑浴可实现不同密度细胞的加载，细胞存活率在培养期间均保持在90%以上；作者将iPSCs诱导的脑类器官培养在该悬浮支撑浴中，经过培养后，脑类器官保持了较高的分化功能和干性，进一步验证营养物质在该悬浮支撑浴中的传输有效性。如图6所示。   

图6 淀粉类水凝胶悬浮支撑浴生物相容性测试。A：内皮细胞在不同结构血管网络内形成内皮细胞膜，B：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的活死染色，C：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的生长与铺展，D：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的存活率，E：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的碱性磷酸酶（ALP）和茜素红S（ARS）染色，F：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的ALP染色定量分析，G：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的ARS染色定量分析，H&I：MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴和GelMA中的细胞活性对比，J&K：不同密度MC3T3-E1细胞在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴内的活性   

针对多细胞梯度结构的制造，作者将多细胞皮肤模型作为目标，在该打印体系下加载了血管内皮细胞、成纤维细胞和角质细胞，成功实现了含血管网络多细胞梯度结构的打印与制造，如图7所示，综合验证了本文提出的无需去除悬浮支撑的4S生物3D打印方法有效性。

图7 无需去除悬浮支撑的4S生物3D打印方法制造含血管网络多细胞皮肤模型。A：含血管网络多细胞皮肤模型打印与制造示意图，B：制备的皮肤模型内多细胞的分布，C&D：含血管网络多细胞皮肤模型免疫荧光染色   

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202406891