哈佛大學醫(yī)學院《Adv Mater.》：數(shù)字光處理3D生物打印可調(diào)控梯度結(jié)構(gòu)

來源：高分子科技

梯度結(jié)構(gòu)廣泛存在于各種組織中，并且對器官發(fā)育及生理和病理狀況起著至關重要的作用。而有效地重建三維 （3D）結(jié)構(gòu)中的梯度特征仍然是一項重大挑戰(zhàn)。近日，哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授課題組開發(fā)了基于數(shù)字光處理 （DLP）方法的可調(diào)控梯度三維生物打印平臺。將微流控混合器整合至打印機生物墨水槽的前端，可精確、即時的通過調(diào)控墨水的流量來實現(xiàn)生物墨水的梯度變化（圖1）。該設計同時免于更換生物墨水時的沖洗步驟，進一步提高了梯度打印的打印速度并且達到節(jié)約墨水的目的。

圖1 可組合梯度 DLP三維生物打印平臺由微流控混合器墨水槽及DLP打印系統(tǒng)組成。

基于該打印平臺，研究人員成功構(gòu)建了一系列二維及三維復雜結(jié)構(gòu)的垂直和/或水平方向上的梯度（圖2）。這些離散或連續(xù)的梯度通過使用具有2個或多個入口的微流控混合器芯片完成，并且所有梯度控制都可以在單次打印過程中實時的輕松實現(xiàn)。值得注意的是，這里梯度的離散或連續(xù)取決于打印文件圖案被劃分的數(shù)目。即圖案劃分的數(shù)目越多，可獲得越精細的梯度。例如，將魔方的打印模型分為 2×2×2、3×3×3 和 6×6×6 塊，通過實時調(diào)整兩種墨水的 2、3 和 6 組不同的流體比率獲得混合后的墨水，可以在打印的魔方結(jié)構(gòu)中達到從離散到接近連續(xù)的梯度分布。同時，連續(xù)的細胞密度梯度打印實驗表明了該方法產(chǎn)生的梯度具有可逆性、可進行實時調(diào)節(jié)，且與設計的生物墨水流量高度吻合（圖3）。

圖2 由可組合梯度 DLP 打印體系打印獲得的二維和三維包含垂直和/或水平梯度的復雜結(jié)構(gòu)。

圖3 細胞密度梯度生物打印的結(jié)果顯示了與生物墨水流量相符的細胞密度梯度。

許多組織由分布不均勻的多種細胞及細胞外基質(zhì)類型組成，其在細胞功能的建立和細胞間通訊中發(fā)揮著關鍵作用。此外，基質(zhì)中的分子梯度或由周圍細胞產(chǎn)生的化學梯度可作為細胞導向、遷移和命運決定的誘導因子。同時，細胞外基質(zhì)的硬度對于細胞的細胞形態(tài)、遷移和分化也十分重要。因此，該梯度DLP生物打印平臺在打印具有多功能梯度的組織中的應用也被進一步證明，涉及的梯度類型包括細胞密度梯度、基質(zhì)硬度梯度、多孔結(jié)構(gòu)和生長因子濃度梯度等（圖4）。

圖4 梯度DLP三維生物打印平臺在打印具有多功能梯度的生物支架和組織中的應用。

該文章以“Digital Light Processing-based Bioprinting with Composable Gradients” 為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。哈佛大學醫(yī)學院博士后王冕，哈佛大學醫(yī)學院博士后李婉露和哈佛大學醫(yī)學院訪學本科生Luis S. Mille（現(xiàn)于斯坦福大學生物工程系就讀博士）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107038