山東大學(xué)陳壯&燕山大學(xué) | FRESH打印具有可調(diào)彈性模量和孔隙率的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)

來源：生物設(shè)計與制造

目前，三維（3D）生物打印已被廣泛用于構(gòu)建硬組織，如骨骼和軟骨。然而，構(gòu)建具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的軟組織仍然是一個挑戰(zhàn)。FRESH打印方法可以克服重力對打印結(jié)構(gòu)的影響，有望成為制備復(fù)雜軟組織的關(guān)鍵手段。本研究以海藻酸鹽和明膠作為墨水基底，通過FRESH方法進(jìn)行載細(xì)胞打印。首先，設(shè)計并制備了具有可調(diào)孔隙率和機(jī)械性能的生物墨水，通過FRESH方法在明膠顆粒支撐浴中進(jìn)行擠出打印。使用流變儀測量墨水的流變性能對打印性進(jìn)行了分析，并通過模擬進(jìn)一步分析了油墨的擠出狀態(tài)。此外，力學(xué)測試結(jié)果和微觀形貌分別顯示出打印結(jié)構(gòu)具有可調(diào)的彈性模量和孔隙率。通過對FRESH工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了一系列復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印。最后使用L929成纖維細(xì)胞進(jìn)行載細(xì)胞打印，細(xì)胞在7天培養(yǎng)中表現(xiàn)出高的活力和良好的增殖特性。所有結(jié)果表明，設(shè)計的生物墨水具有良好的生物和機(jī)械性能，并且可以通過添加細(xì)胞相容性材料進(jìn)一步提高細(xì)胞活力，在軟組織的打印中顯示出良好的潛力。

圖1 具有可調(diào)彈性模量和孔隙率組織的FRESH打印流程。(a) 生物墨水單體材料；(b) 生物墨水材料的制備；(c) FRESH 3D生物打印工藝；(d) 保存在支撐浴中的打印結(jié)構(gòu)；(e) 支架在37 °C時從支撐浴中釋放；(f) 水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的示意圖。FRESH：懸浮水凝膠的自由形式可逆嵌入

圖2 生物墨水的流變學(xué)特性測試。(a) 流變試驗(yàn)示意圖；(b) 含有2%、4%和6% (0.02、0.04和0.06 g/mL) 明膠的生物墨水在加熱和冷卻過程中的凝膠動力學(xué)曲線。圖例：實(shí)心表示G′，空心表示G′′，W表示加熱，C表示冷卻，數(shù)字表示明膠濃度；(c) 在37 °C下三次高 (1000 s−1) 、低(0.01 s−1)剪切速率循環(huán)；(d) 在37 °C下的剪切掃描實(shí)驗(yàn)；(e) 生物墨水在針頭中流動的速度場；(f) 針頭中不同半徑位置下三種墨水濃度的剪切應(yīng)力

圖3 明膠濃度為(a) 2%(0.02 g/mL)、(b) 4%(0.04 g/mL)、(c) 6%(0.06 g/mL)和(d) 8% (0.08 g/mL)時水凝膠的微觀形貌

圖4 FRESH打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)。(a) 對打印的圓管進(jìn)行重復(fù)壓縮實(shí)驗(yàn)；(b) 對打印的細(xì)長管進(jìn)行灌注實(shí)驗(yàn)；(c) 設(shè)計并打印實(shí)體“SDU”模型，尺寸為16.8 mm×7.08 mm×2.00 mm，比例尺：1 mm

圖5 細(xì)胞免疫熒光染色。在細(xì)胞培養(yǎng)的第1天(a)和第7天(b)，使用AM/PI對細(xì)胞進(jìn)行免疫熒光染色。比例尺：200 μm。AM：乙酰氧基甲酯；PI：碘化丙啶