功能化海藻酸鈉墨水細(xì)胞靜電打印微米精度活性結(jié)構(gòu)改善細(xì)胞鋪展與定向效果

供稿人：邱鎮(zhèn)南、賀健康
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)

生物打印技術(shù)在組織工程和再生醫(yī)療中有巨大的應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)生物打印技術(shù)由于精度的限制在精確復(fù)現(xiàn)自然組織中細(xì)胞復(fù)雜排列結(jié)構(gòu)方面仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，一種利用電流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)打印出微米級(jí)別水凝膠纖維的細(xì)胞靜電打印技術(shù)被提出，其在保證細(xì)胞活性的前提下極大提高了打印分辨率。但適用于細(xì)胞靜電打印技術(shù)同能支持細(xì)胞鋪展的生物墨水體系有待進(jìn)一步研究。該論文的研究工作通過化學(xué)修飾RGD、混合牛纖維蛋白原及添加PEO，得到了適用于細(xì)胞靜電打印工藝的功能化海藻酸鈉墨水。

如圖3所示，相較于改性前的純海藻酸鈉墨水，細(xì)胞在打印的功能化海藻酸鈉墨水結(jié)構(gòu)中的鋪展率有顯著提高。在改善生物活性的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化擠出流量、打印移動(dòng)速度和接收距離等細(xì)胞靜電打印工藝參數(shù)，打印水凝膠纖維結(jié)構(gòu)的分辨率從50μm提高到了30μm（如圖3所示）。細(xì)胞在該尺度下的凝膠結(jié)構(gòu)中沿著纖維方向生長，表現(xiàn)出顯著提高的細(xì)胞定向率。總的來說，該研究所建立的功能化海藻酸鈉墨水體系使得細(xì)胞靜電打印技術(shù)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了細(xì)胞活性和打印分辨率，為精確復(fù)現(xiàn)自然組織的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)提供了新的技術(shù)途徑。

圖1 功能化海藻酸鈉墨水改性與細(xì)胞靜電打印定向活性結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 改性后的功能化海藻酸鈉墨水提高了細(xì)胞鋪展性能。ALG：海藻酸鈉墨水；ALG/FIB：海藻酸鈉與牛纖維蛋白原混合墨水；RGD-ALG：化學(xué)修飾RGD的海藻酸鈉墨水；RGD-ALG/FIB：化學(xué)修飾RGD海藻酸鈉與牛纖維蛋白原混合墨水

圖3 添加PEO后功能化海藻酸鈉墨水靜電打印水凝膠結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)到30μm以下。a 含不同濃度PEO功能化海藻酸鈉墨水靜電打印田字格水凝膠結(jié)構(gòu)；b 含有不同濃度PEO的功能化海藻酸鈉墨水在優(yōu)化工藝參數(shù)后能夠達(dá)到的最小線寬；c 靜電打印10層水凝膠田字格結(jié)構(gòu)的光鏡圖

圖4 細(xì)胞靜電打印不同墨水的水凝膠結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的活性與定向效果。a 海藻酸鈉墨水打印纖維線寬50μm田字格結(jié)構(gòu)中細(xì)胞基本不鋪展呈現(xiàn)球狀；b RGD-ALG/FIB墨水打印的50μm線寬田字格結(jié)構(gòu)中大部分細(xì)胞鋪展并有一定的定向趨勢(shì)；c RGD-ALG/FIB/PEO墨水打印的30μm線寬田字格結(jié)構(gòu)中細(xì)胞鋪展并沿凝膠纖維定向生長；d 以上結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的存活率統(tǒng)計(jì)結(jié)果；e 以上結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的定向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

參考文獻(xiàn)：
Qiu Z, Zhu H, Wang Y, et al., 2022. Functionalized alginate-based bioinks for microscale electrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment. Bio-des Manuf (Early Access). https://doi.org/10.1007/s42242-022-00225-z