体积生物3D打印——几十秒内构建复杂活组织结构

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研究背景

✦      目前，生物制造技术例如立体光刻和挤出打印，正在革新复杂工程组织的制造工艺。生物3d打印范式依赖于挤出式的逐层沉积，典型的生物墨水是负载单细胞或细胞聚集体的水凝胶。这种打印方式的可扩展性受到打印速度的限制，因为冗长的生物打印过程会损害细胞的功能。

文章概要

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      荷兰的乌得勒支大学Riccardo Levato教授团队开发了一种基于可见光投影的体积3D打印方法，从甲基丙烯酰化明胶水凝胶中生成具有高活力(>85%)的细胞负载组织结构。他们打印了人耳廓模型（图1）、骨小梁模型和半月板模型。

      研究人员在打印时间、打印物品表面光滑程度、细胞存活率等方面对比了体积3D打印、挤出打印、数字光处理(Digital Light Processing，DLP)打印的差异。结果如图2，图3所示，体积打印在打印时间、表面光滑程度均优于DLP，DLP优于挤出打印。在细胞存活率方面，在打印完成时，体积打印优于DLP打印，DLP优于挤出打印，然而在培养7天后，三种打印方式的差别不大。他们还打印了功能良好的水凝胶球笼式流体阀（图2，D），球在阀内可以自由浮动。这在传统的3D打印方式很难实现。

     骨小梁模型体积3D打印形成的结构和错综复杂的互联多孔网络（图3，B），超越了传统挤出式生物打印技术。将含有MSCs的骨小梁模型在成骨培养基中培养7天，然后与内皮集落形成细胞共培养3天，观察到早期血管生成芽的形成，典型的毛细血管网络前体（图3，D）。

      ***，研究人员研究打印半月板模型的体外长期培养情况。含有107/ml的关节软骨前体细胞的半月板模型，体外培养4周后，发现有新纤维软骨基质的生成（图4 ，C），力学性能也显著提升（压缩模量从24.63 ±0.65 kPa增加到266.54 ±4.49 kPa），与人类纤维软骨相当。组织学染色结果表明，新生成的糖胺聚糖（GAG）分布在打印结构的整个区域（图4，D）。大量的I型胶原也被检测到（图4，E），这是人类半月板的典型特征，以及少量的II型胶原（图4，F），在组成类似于天然半月板组织。

结语

✦      体积3D打印这项新兴技术，打印过程对细胞十分友好。由于生物墨水自身的浮力，可以打印固含量很低的配方，无需担心支撑的问题。体积生物3D打印以前所未有的打印速度创建复杂、厘米尺度的几何结构，为提高水凝胶基础结构的生产和它们在组织工程、再生医学和软机器人技术中的应用开辟了新途径。

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