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高分辨率电流体力学生物打印

期刊综述    2021-09-18 15:41

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研究背景

➣电流体动力(EHD)打印是一种新兴的增材制造策略,用于三维微/纳米尺度结构的可控制造。

➣与传统的静电纺丝不同,EHD生物打印的喷嘴到收集器的距离通常缩短到几毫米,以确保单个材料流动,这有利于稳定和可控的微纤维沉积。

➣EHD生物打印正在逐步发展成为一种新型、低成本、高分辨率的生物制造策略,以人工构建仿生三维微/纳米结构,以改善生物功能。

➣对高分辨率EHD生物打印技术的最新进展进行了综述,主要包括基于熔体和基于溶液的微/纳米级纤维支架和生物组织构建体的制造过程。总结并讨论了高分辨率EHD生物打印技术面临的主要挑战和未来发展前景。

 

基于熔融生物聚合物的EHD生物打印

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图1. 用于熔融EHD生物打印的多种生物高聚物。

 

➣基于熔融生物聚合物的EHD生物打印技术结合了静电纺丝和熔丝制作(FFF)的优点,可根据用户定义的程序灵活地制作三维微纤维组织工程支架。

➣此过程可以避免使用有毒溶剂,并且EHD打印细丝的规模接近细胞大小,这为模仿天然ECM的微纤维结构提供了理想的方法。

➣用于熔融生物聚合物的EHD生物打印设备通常包括加热打印头、高分辨率X-Y-Z移动工作台、注射泵、高压发生器和收集基板。

➣目前,该技术已被广泛用于制备具有微尺度纤维结构的晶格或管状组织工程支架。

 

可控微结构纤维支架的熔基EHD生物打印

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图2. 具有直、弯微纤维的纤维支架的熔基EHD打印。

 

➣He等利用熔融EHD生物打印技术制备了不同纤维间距的微尺度纤维支架,发现与250 μm的纤维间距相比,100 μm的纤维间距越小,MC3T3-E1细胞在体外的粘附、增殖和生长就越好(图2(a)和(b))。

➣熔基EHD生物打印进一步用于制造具有层特异性纤维取向的三维微纤维结构,可以提供接触引导来指导多向细胞排列。

➣熔基EHD生物打印还具有很高的灵活性,可以使用一个喷嘴打印不同直径的各种纤维的全光谱。

➣除了带有直纤维的晶格结构,基于熔体的EHD生物打印还可以制造弯曲结构,以调节合成支架的机械性能,用于特定的组织应用。

 

基于生物聚合物溶液的EHD生物打印

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图3. 神经再生导电性支架的溶液EHD生物打印。

 

➣ 与熔基生物材料相比,各种生物聚合物可以混合在基于溶液的生物墨水中,从而在很大程度上调节粘度和可加工性,从而促进亚微米级甚至纳米级的更高分辨率。

➣基于溶液的EHD生物打印在调节纤维结构和形成的支架导电性方面的优势使其有望用于神经再生。

➣ 采用EHD生物打印技术制备孔径可控的3D PCL支架,将其卷成管状作为人工神经导管。

➣孔径为125±15 μm的PCL支架还具有良好的力学性能,接近自然周围神经,为神经再生提供了最佳降解率。

➣除了增加PCL/rGO支架的电导率外,rGO较软的力学性能和高比面积也可能促进PC12细胞在复合支架上的附着和增殖。

 

EHD生物打印功能模式,用于生物传感和生物医学

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图4.基于解决方案的EHD生物打印技术在生物传感器和生物医学中的应用。

 

➣ EHD生物打印技术在制造微/纳米尺度点阵列的效率和精度方面具有很大的优势,可以打印出上百万个有组织的图案的液滴。

➣Park等人报道了EHD打印含有DNA和金纳米颗粒的纳米尺度点图案,这进一步发展为基于DNA适配体的生物传感器和DNA定向纳米颗粒组装(图4a)。

➣ Shigeta等人利用基于溶液的EHD打印技术制造了复杂的蛋白质图案,其液滴大小和间距具有良好的均匀性(图4c)。

➣EHD生物打印系统集成了倒置光学显微镜和手动定位器,可以原位定位药物的沉积位置,同时在打印过程中观察药物点的形态。

 

用于活体组织构建的EHD细胞打印技术的创新

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图5. EHD生物打印承载细胞的结构。

 

➣所产生的载细胞液滴的大小和形状得到了良好的控制,细胞活力在培养7 d期间保持稳定(图5(a) - (d))。

➣证明了传统的静电纺丝或静电喷涂工艺的可行性,即使在高电压下也可以制造具有高可行性的细胞负载特性。但是,难以精确地制造组织良好的细胞图案或活组织结构。

➣通过将喷嘴到收集器的距离从几厘米缩短到毫米,EHD生物打印工艺已经被探索为生成微/纳米级细胞负载液滴的工艺路线,这些液滴可以组装成2D图案或3D结构。

➣Wang等人利用交流脉冲调制电压周期性地喷射在衬底上以预先设计的模式精确沉积的水凝胶液滴。

➣研究了五种不同的喷嘴到收集器的距离,结果表明,液滴直径可稳定控制在150 ~ 600 μm范围内,具有较高的细胞存活率。

 

面向3D活组织构造的高分辨率EHD生物打印

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图6. 芯片内部微结构设计用于荧光试剂溶液和非荧光缓冲液之间的快速切换。

 

➣通过调整工艺参数或使用同轴喷嘴,EHD生物打印正成为一种可替代的方法,以创建高细胞活力和均匀细胞分布的高分辨率三维活体组织。

➣通过改变喷嘴到收集器的距离或调节收集基底的电导率,可以进一步减小EHD印刷的载有细胞的水凝胶的特征尺寸。

➣打印海藻酸纤维的最小线宽约80 μm,细胞活力高达95%(图6(b)和(d)),为构建高分辨率活体组织提供了一种体面的策略。

 

结论

01  

EHD生物打印技术在制备具有仿生微纳米纤维结构的组织工程支架或具有较高分辨率的活体组织方面具有巨大的潜力。

 

02  

EHD生物印刷技术避免了昂贵的洁净室设备,简化了将微/纳米结构从光掩膜转移到生物相关材料的多步骤过程,并在灵活生产3D微型结构方面表现出强大的能力。

 

03 

由于高分辨率EHD生物打印是一个高度依赖材料的过程,因此能够用于高分辨率EHD生物打印的生物材料仍然稀缺。

 

04

开发适用于EHD生物打印工艺的创新生物聚合物或生物相关水凝胶对将该技术转化为流行的生物制造策略具有重要意义。