利用電流體動力學(xué)印刷的微晶格引導(dǎo)3D多方向細(xì)胞排列的技術(shù)

供稿人:徐維維 高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

許多天然組織都具有高度排列的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，體外設(shè)計具有類似功能的人工組織類似物也需要高度排列的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)生物學(xué)功能。西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及西安交通大學(xué)陜西省快速制造研究中心團(tuán)隊提出通過將細(xì)胞-膠原蛋白混合懸液澆鑄到預(yù)先設(shè)計好的基于電流體動力學(xué)印刷的微晶格中來引導(dǎo)3D細(xì)胞定向排列，且利用該技術(shù)設(shè)計的高度對齊的功能性心臟結(jié)構(gòu)顯示出同步的收縮活動，表現(xiàn)出成熟的心肌特異性。

圖 1 電流體動力印刷的微晶格的示意圖和特征

傳統(tǒng)細(xì)胞定向方法例如機(jī)械拉伸、表面化學(xué)處理等方法局限于二維細(xì)胞的排列；而利用光、電等體外刺激引導(dǎo)細(xì)胞排列，也只能實(shí)現(xiàn)單向細(xì)胞排列，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的有規(guī)律排列。

電流體動力學(xué)印刷的3D納米結(jié)構(gòu)具有纖維取向靈活的特點(diǎn)，而結(jié)合了水凝膠的電流體動力學(xué)印刷的超細(xì)纖維表現(xiàn)出了與天然組織相似的生物力學(xué)價值。因此西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊利用電流體動力印刷的微纖維結(jié)構(gòu)以及載有細(xì)胞的水凝膠組合，產(chǎn)生具有高度取向性的體外人工組織。利用電流體動力學(xué)印刷的微晶格引導(dǎo)3D多方向細(xì)胞排列的方法，在預(yù)先設(shè)計的微晶格中的活細(xì)胞和膠原纖維均均勻地逐漸遷移到微晶格間距的中心區(qū)域，并沿打印微晶格的縱向方向伸長以形成密集且高度對齊的細(xì)胞帶。

圖 2 彎曲微晶格內(nèi)的細(xì)胞排列以及多種細(xì)胞類型的排列

此外，當(dāng)設(shè)計微晶格并以層特定的細(xì)絲方向進(jìn)行電流體動力印刷時，可在3D膠原蛋白水凝膠內(nèi)實(shí)現(xiàn)多方向細(xì)胞排列，為設(shè)計和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞高度定向排列提供了可能。

該技術(shù)巧妙結(jié)合現(xiàn)有研究特性，3D結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的高度排列得以實(shí)現(xiàn)，由于細(xì)胞排列受電動流體動力學(xué)印刷的特征所影響的，因此可以通過改變微晶格結(jié)構(gòu)來靈活地調(diào)整細(xì)胞取向的方向，且可以廣泛適用于多種類型的細(xì)胞，包括無任何外部刺激的原代心肌細(xì)胞。對細(xì)胞和膠原纖維的動態(tài)排列過程的微觀研究有助于探索高度排列的細(xì)胞帶自主形成的機(jī)制。該技術(shù)也可以為工程學(xué)中復(fù)雜的體外3D組織提供細(xì)胞高度定向方法，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中具有許多潛在應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Mao Maoa, Jiankang He, Zhi Li , Kang Han, and Dichen Li . 2020.” Multi-directional cellular alignment in 3D guided by electrohydrodynamically-printed microlattices.” Acta Biomaterialia 101 (2020) 141–151.
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