微流控生物3D打印可控微觀形貌泡沫纖維

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在組織工程領(lǐng)域，天然骨組織的分級孔隙結(jié)構(gòu)難以通過傳統(tǒng)技術(shù)（如顆粒浸出、氣體發(fā)泡）精準(zhǔn)模擬，現(xiàn)有方法存在孔徑分布不均、孔隙率調(diào)控不足及機(jī)械性能與生物相容性難以平衡等問題。特別是傳統(tǒng)多孔功能梯度材料（pFGMs）制備技術(shù)無法動(dòng)態(tài)調(diào)整孔隙參數(shù)，限制了對復(fù)雜生物組織微環(huán)境的仿生構(gòu)建。   

來自意大利技術(shù)研究院的Chiara Scognamiglio教授、羅馬第一大學(xué)的Gianluca Cidonio教授和波蘭科學(xué)院的Marco Costantini教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種微流控三維生物打印系統(tǒng)，通過集成泡沫發(fā)生器與同軸擠出器，實(shí)現(xiàn)了泡沫纖維微觀形貌的動(dòng)態(tài)調(diào)控。團(tuán)隊(duì)利用微流控芯片實(shí)時(shí)生成氣泡，結(jié)合海藻酸鈉-明膠-納米粘土（LAG）生物墨水的原位凝膠化，構(gòu)建了具有軸向空心通道和徑向分級多孔結(jié)構(gòu)的泡沫纖維。該方法通過調(diào)節(jié)空氣壓力（700-1600 mbar）和液體流速（25-40 μL/min），可精確控制氣泡直徑（25-73 μm）和孔隙率（10%-60%），并通過多噴嘴打印實(shí)現(xiàn)單/多級孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布。   

在15 mm長神經(jīng)缺損的SD大鼠模型中，該泡沫纖維促進(jìn)了神經(jīng)軸突定向生長和肌肉功能恢復(fù)，其效果與自體神經(jīng)移植相當(dāng)。相關(guān)工作以“Microfluidic 3D Bioprinting of Foamed Fibers with Controlled Micromorphology”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

研究內(nèi)容
1. 微流控泡沫發(fā)生裝置與打印流程示意圖，通過三維建模與實(shí)驗(yàn)裝置搭建的方法，研究了集成泡沫發(fā)生器與同軸擠出器的微流控打印頭結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該裝置通過前級芯片生成氣泡（直徑25-73 μm，頻率最高2 kHz），后級芯片實(shí)現(xiàn)生物墨水（LAG）與交聯(lián)劑（CaCl₂）的同軸凝膠化，可在打印過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整泡沫密度（空氣體積分?jǐn)?shù)10%-60%），形成軸向空心、徑向多孔的纖維結(jié)構(gòu)。      

圖1. 微流控三維生物打印裝置及泡沫纖維制備流程示意圖。   

2. 泡沫特性與工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析，通過高速攝像（10000 fps）與圖像分析的方法，研究了空氣壓力（700-1600 mbar）和液體流速（25-40 μL/min）對氣泡尺寸、頻率及體積分?jǐn)?shù)的影響。結(jié)果表明，氣泡直徑隨壓力升高從25 μm增至73 μm，體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)74%（低流速25 μL/min時(shí)），且壓力-直徑關(guān)系呈線性（R²>0.92），驗(yàn)證了泡沫特性的可控性。      

圖2. 泡沫生成參數(shù)（壓力、流速）對氣泡尺寸及體積分?jǐn)?shù)的影響。   

3. 泡沫纖維微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能表征，通過掃描電子顯微鏡（SEM）與壓縮測試的方法，研究了不同泡沫密度（低、中、高）對纖維孔隙率（9.8%-58.7%）和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，高孔隙率纖維（空氣體積分?jǐn)?shù)60%）彈性模量為0.87±0.12 MPa，韌性較實(shí)心纖維降低62%，但分級孔隙結(jié)構(gòu)（如梯度/交替排列）可提升力學(xué)穩(wěn)定性（彈性模量偏差<15%）。      

圖3. 泡沫纖維的孔隙結(jié)構(gòu)（SEM）與壓縮力學(xué)性能曲線。   

4. 三維打印支架的孔隙分布與生物相容性評估，通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）與活/死細(xì)胞染色的方法，研究了單/多級孔隙支架（10×10 mm²）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及MG63細(xì)胞響應(yīng)。結(jié)果表明，梯度孔隙支架（孔隙率15%-50%）內(nèi)部孔隙連通性達(dá)82%，含0.125% v/v表面活性劑的LAG墨水可維持細(xì)胞存活率>85%（培養(yǎng)21天），且RGD修飾藻酸鹽顯著促進(jìn)細(xì)胞黏附（聚集直徑從34 μm增至95 μm）。   

圖4. μCT重建的分級孔隙支架結(jié)構(gòu)與細(xì)胞活性染色結(jié)果。   

5. 細(xì)胞負(fù)載支架的功能化與長期培養(yǎng)研究，通過酶促交聯(lián)（μTG）與免疫熒光染色的方法，研究了RGD修飾藻酸鹽與明膠的協(xié)同作用對細(xì)胞遷移的影響。結(jié)果表明，經(jīng)μTG處理的支架在3周時(shí)細(xì)胞遷移至纖維表面形成連續(xù)層，而未處理組細(xì)胞局限于內(nèi)部孔隙，證實(shí)化學(xué)修飾可增強(qiáng)細(xì)胞-材料相互作用，促進(jìn)組織樣結(jié)構(gòu)形成。      

圖5. 功能化支架的細(xì)胞遷移路徑與三維聚集形態(tài)分析。   

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種集成微流控技術(shù)與三維生物打印的一步法，用于制備含活細(xì)胞的功能梯度多孔水凝膠。通過調(diào)控空氣壓力（700-1600 mbar）和生物墨水流量（25-40 μL/min），可實(shí)時(shí)生成直徑30-70 μm的微泡，泡沫纖維孔隙率達(dá)10%-60%，且具備分級孔隙結(jié)構(gòu)。微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）顯示，打印支架內(nèi)部孔隙連通性良好，單/多級孔隙分布可精確控制。生物相容性研究表明，含0.125% v/v表面活性劑的支架可維持MG63細(xì)胞存活率超85%，RGD修飾藻酸鹽結(jié)合酶促交聯(lián)顯著促進(jìn)細(xì)胞黏附與遷移。該方法無需有機(jī)溶劑，泡沫在線凝膠化確保打印精度，適用于細(xì)胞封裝。盡管表面活性劑毒性限制需通過稀釋或天然替代品（如白蛋白）優(yōu)化，本研究構(gòu)建的微流控打印平臺(tái)為仿生組織工程支架的多尺度孔隙設(shè)計(jì)提供了新策略，在骨再生等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c22450