3D 生物打印组织特异性高细胞密度生物墨水，实现多相组织生物制造

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在组织工程和再生医学领域，3D生物打印技术凭借能够制造复杂3D结构的优势备受关注。其中，高细胞密度生物墨水因能模拟天然组织微环境，在构建功能性组织方面展现出潜力，它通常由天然聚合物与大量细胞混合制备，为细胞提供支持环境。  

然而，当前该技术面临诸多挑战。一方面，生物材料在高细胞密度生物墨水中存在干扰细胞间直接接触、与新组织形成不同步降解等问题；另一方面，现有的仅由细胞组成的生物墨水难以长时间支撑3D打印结构，或存在打印分辨率低、前期培养时间长、设备昂贵等弊端，且缺乏能制造和培养高分辨率单细胞组织的技术。  

来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Oju Jeon和Eben Alsberg教授团队合作，提出一种创新策略来解决这些痛点。他们将组织特异性高细胞密度生物墨水3D打印到光交联可降解水凝胶微颗粒支撑浴中，制备出新型生物制造组织。通过在生物墨水中加入负载生长因子的明胶微颗粒，不仅实现生长因子的持续释放和精准调控，还成功制备出多种组织特异性生物墨水，构建出如骨软骨组织等多相组织。相关工作以“Biofabrication of engineered tissues by 3D bioprinting of tissue specific high cell-density bioinks”为题发表在《Materials Today》上。

研究内容
1. 通过制备组织特异性高细胞密度生物墨水并进行3D打印，研究其在光交联藻酸盐水凝胶微颗粒支撑浴中的打印性能、细胞分化及多相组织形成情况。结果表明，该生物墨水具有良好的流变学特性，打印的微丝具有高分辨率和形状保真度，且在支撑浴中能实现细胞分化，成功构建出多相骨软骨组织。

图1. 组织特异性高细胞密度生物墨水配方及在OMA微凝胶支撑浴中3D打印的示意图。

2. 通过动态流变学测试、分辨率分析和细胞分化实验，研究组织特异性高细胞密度生物墨水的流变学性质、打印分辨率以及在不同条件下的细胞分化效果。结果显示，该生物墨水具有剪切稀化、低剪切屈服应力和自愈合特性，打印的构建体形状保真度高，经诱导能有效分化形成软骨或骨组织。

图2. 组织特异性高细胞密度生物墨水的表征。

3. 通过3D打印和组织学染色等方法，研究基于单个细胞的组织特异性高细胞密度生物墨水打印构建体的分辨率、形状保真度及软骨形成能力。结果表明，打印的微丝直径分布窄，构建体形状保真度高，在转化生长因子-β1的作用下，能成功分化形成软骨组织，与阳性对照组效果相似。

图3. 3D打印构建体的分辨率、形状保真度和软骨分化的表征。

4. 通过交替打印成骨和软骨生物墨水构建管状结构，并进行组织学染色和成分分析，研究多相组织的形成情况。结果显示，成功构建出由软骨和骨组织组成的多相骨软骨组织，且各组织区域的成分和功能符合预期，证明了利用该生物墨水构建多相组织的可行性。

图4. 3D打印多细胞表型管及骨软骨组织构建体的相关检测。

5. 通过3D打印基于细胞聚集体的生物墨水并进行软骨分化实验，研究该生物墨水的打印性能和软骨形成能力。结果表明，该生物墨水打印的结构具有高分辨率和形状保真度，经软骨分化后能形成软骨组织，与阳性对照组无显著差异，验证了其在组织工程中的应用潜力。

图5. 3D打印基于聚集体的生物墨水的相关检测。

研究结论
本研究表明，天然组织和器官由多种细胞类型与细胞外基质按特定空间模式整合而成，多种生化和物理信号的时空呈现对细胞分化和成熟意义重大。本研究的组织特异性生物墨水系统，在探究生物活性信号空间呈现的作用方面潜力巨大。通过3D打印多种组织特异性高细胞密度生物墨水，可精确控制复杂多组织结构的形成。值得一提的是，该3D打印平台首次实现了在高细胞密度生物墨水中对组织特异性生长因子的空间呈现，能精准调控细胞功能，诱导干细胞分化形成多细胞表型和多相组织，且形状保真度高。这为利用高细胞密度生物墨水精确构建复杂多相组织开辟了新路径，在组织工程和再生医学领域极具应用前景，如用于患者特异性组织修复、疾病建模平台开发和高通量药物筛选等。后续研究将聚焦于优化打印参数、促进构建体成熟及实现血管化，提升打印组织的功能和转化潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.03.021