基于雙光子3D打印技術構建含三維軟質微流道的可灌注大尺寸體外組織

供稿人：劉穎潔、王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

工程化組織和類器官的血管化已經(jīng)成為了再生醫(yī)學領域的一個關鍵未解決難題。雖然已經(jīng)有多種用于解決體外組織血管化問題的方法被提出，但其均無法形成充足且密集的微尺度血管網(wǎng)絡以灌注大型新生組織。為了構建毛細血管尺度下的三維流道以實現(xiàn)對立方毫米尺度下組織結構的灌注，比利時魯汶大學的Adrian Ranga團隊基于水凝膠-雙光子3D打印技術精準制造了微米尺度下的三維軟質微流道，并進一步構建了大尺寸血管化生物芯片。

圖1 利用軟質微流道實現(xiàn)生物芯片微血管化

如圖1a所示，集成后的3D打印生物芯片能同時培育8個多路復用的3D軟質微流道毛細血管網(wǎng)格。單個毛細血管網(wǎng)格如圖1b所示，該網(wǎng)格使用非膨脹性光聚合水凝膠前體，通過高分辨率的雙光子立體光刻技術構建，該打印技術能高重復地生產(chǎn)最小為10μm的特征結構。研究團隊通過在大于100臺制造儀器上測試，證明該打印技術生產(chǎn)的毛細血管網(wǎng)格制造成功率大約為90%。圖1c展示了不同外徑（頂行）和壁厚（列）的圓柱體陣列，其單位為μm。圖1d為單個毛細血管網(wǎng)格的微流控CAD示意圖，其中軟質微流道用紅色顯示，結構組件用灰色顯示，流體基于毛細作用從底部結構組件向微流道運動，并穿過流道壁面向外滲透。圖1e使用25μM的熒光素對毛細血管網(wǎng)格進行灌注，在幾分鐘內網(wǎng)格整體就能被熒光素充斥。圖1f顯示了毛細血管網(wǎng)格上的組織接種過程，通過移液槍將人多功能干細胞球體手動分裝入網(wǎng)格之中。球體在芯片中培養(yǎng)24~36小時后，聚集形成了固體組織。上排圖像示意性地對下排圖像過程進行了表征，球狀體和最終形成的固體組織用藍色表示。

圖2 三種培養(yǎng)方式下長期培養(yǎng)的腦皮層類器官（比例尺1mm）

分別在培養(yǎng)皿中（控制組）、非灌注毛細血管網(wǎng)格中和灌注毛細血管網(wǎng)格中對類器官進行長時間培養(yǎng)，其培養(yǎng)過程中的明場影像如圖2所示。在控制組和非灌注組中，當培養(yǎng)時間達33天時，類器官基本停止發(fā)育；而在灌注組中，類器官發(fā)育情況良好且逐漸布滿了整個毛細血管網(wǎng)格。該結果證明灌注毛細血管網(wǎng)格有利于大尺寸體外組織模型的培養(yǎng)。

綜上，本文通過水凝膠-雙光子3D打印技術構建了毛細血管網(wǎng)格，成功克服了體外工程化組織和類器官培養(yǎng)中面臨的組織灌注不足問題。在未來有望應用于疾病模型構建和藥物開發(fā)之中。

參考文獻：
Grebenyuk S, Fattah ARA, Kumar M, et al. Large-scale perfused tissues via synthetic 3D soft microfluidics[J]. Nature Communications, 2023, 14 (1).