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生物3D打印中的同轴湿纺:微流体集成的最新技术

期刊综述    2021-09-18 15:25

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研究背景

➣如今,生物3D打印技术在组织工程和再生医学领域迅速兴起,成为构建先进组织结构的有效工具,可再现体外器官/组织功能。

➣由于生物墨水的性质(首先是流变学和凝胶学)对其沉积的适宜模式有很大的影响,因此选择最佳沉积策略往往是一个具有挑战性和费时的过程。

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生物3D打印工艺流程

 

主要内容

1. 讨论了一种用于生物打印的可用方法,即同轴湿纺挤压。 综述了同轴技术在制备纤维素化水凝胶纤维中的应用,并着重介绍了其主要特点。

2. 展示了这种方法如何允许(i)将打印精度与生物墨水的流变行为分离——从而显著简化了新生物墨水的开发——以及(ii)构建异质多材料和/或多细胞结构,当与微流体系统结合时,这些结构可以更好地模拟天然组织。

3. 最后,重点介绍了功能性结构的最终制造所面临的挑战和未来前景。

 

挤出基生物打印的经典范例

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图1.用于生物打印细胞结构的不同挤压方法。

➣基于挤出的生物打印通过沉积细胞聚集物、游离细胞和/或以丝的形式支持ECM来产生三维细胞结构。

➣采用基于挤出的3D生物打印过程中最常用的技术是直接墨水书写,该技术包括调整生物墨水的流变特性以赋予明显的剪切稀化行为。生物墨水可以在压力场下轻松流动,并在挤出力消除后迅速变成自立凝胶(呈固体状)(图a)。

➣生物墨水被沉积在氯化钙溶液中(反之亦然),以促使含有海藻酸盐生物墨水在挤压时直接离子交联(图b),这种方法的一大优势是生物油墨流变特性与其可印刷性脱钩。

➣一种新的沉积方法-自由形式可逆嵌入,用含有体积分数很高的软微/纳米颗粒的颗粒或胶体浴代替凝固浴。其主要限制在于沉积材料的不可控表面特性,因为镀液的离散特性使沉积生物墨水具有粗糙的表面,限制了最低可达到的分辨率为数百微米。

 

同轴湿纺:一种新兴趋势

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图2 同轴挤出机的示意图:通过反转生物墨水和交联剂溶液的输送部位,可以铺放(a)松散或(b)中空水凝胶纤维。

➣生物墨水和凝结浴同时输送至挤出机,从而触发了生物墨水在分配头末端的胶凝。随着分配头的移动,按照打印代码,水凝胶纤维会旋转并以3D形式沉积。通过调节两种溶液的流量和沉积速度,可以沉积尺寸可调的纤维。

➣生物墨水和交联剂的两种溶液分别泵入同轴排列的不同针头,允许沉积体(内针中的生物墨水,图2(a))或中空纤维(外针中的生物墨水,图2(b))。

➣同轴挤出/湿纺可以看作是凝固浴的演变,其中生物墨水和交联溶液在层流条件下从单个沉积头共同喷射,从而确保了沉积过程的高重复性。

 

生物墨水用于同轴湿纺

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图3 通过同轴挤出方法设计的各种组织

➣在同轴湿纺中,有必要在沉积过程中实现生物墨水的快速且细胞相容的凝胶化。凝胶化机理主要是使用藻酸盐基生物墨水与氯化钙溶液交联。

➣藻酸盐除了其技术优势和生物相容性外,还缺乏用于支持细胞粘附和扩散的结合位点,这导致生物印迹构建体的功能欠佳。

➣Colosi等人将人脐静脉内皮细胞(HUVEC)嵌入藻酸盐和甲基丙烯酸明胶(GelMA)的混合物中,以利用在明胶中存在有利于细胞粘附,扩散和运动的整联蛋白结合位点(图3(a) ,(b))。藻酸盐离子凝胶化印刷的生物结构暴露于紫外光下,以促进GelMA甲基丙烯酸取代基之间的化学交联,从而使支架的结构永久化。

➣Costantini等人将关节软骨作为要进行工程处理的组织。尝试模仿软骨的自然ECM(一种富含蛋白聚糖和II型胶原的组织)驱动了生物墨水的配制(图3(c),(d))。

 

利用同轴微流控挤出机构建多材料或多细胞结构

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图4 利用同轴喷嘴挤出机实现复杂结构的多材料三维沉积

➣生物打印的3D细胞构建体代表了体外实现功能组织的重要结果,通过同时沉积不同类型的ECM和细胞群,根据需要产生异质生物构造,复制了复杂器官的结构。

➣海藻酸盐保证了良好的保真度和适印性,并在沉积过程中保护细胞免受剪切应力。 结果,当针对仅由藻酸盐构成的对照支架评估人脂肪干细胞的活力,扩散和肝细胞分化时,复合纤维基支架的性能优于藻酸盐支架(图4(a))。

➣核-壳方法允许以极低的浓度(<2.0%)制造载有细胞的GelMA构建体,这是使用常规生物打印策略无法实现的结果(图4(b))。

➣利用微流体平台,使用单个打印头按需更换传递到同轴针系统的生物墨水。该系统的关键是基于安装在同轴分配器上游的Y型微流控芯片(图4(d),(e))

 

用于创建可灌注血管网络的同轴挤出机

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➣在工程组织结构中建立血管网络以促进氧气、营养物质和废物的运输,是组织工程领域的一个热门话题。

➣Luo等人提出了使用壳/芯喷嘴头创建由中空纤维组成的可灌注支架的首次尝试,为中空纤维基支架的生产铺平了道路。

➣利用同轴打印头打印海藻酸中空纤维,形成了一个完全可灌注的支架。交联的藻酸盐壁对模型蛋白具有渗透性,通过流过中空纤维网络的溶液为嵌入的细胞提供营养和氧气。

➣大多数血管生物打印策略的主要缺点是,结构的机械强度较弱,从而阻碍了其在植入过程中与宿主血管的手术吻合。同轴针头挤出机的使用提供了印刷机械坚固且可灌注结构的机会。