供稿人：劉穎潔、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-04-29
以水凝膠為代表的生物墨水材料在傳統(tǒng)的擠出式3D打印過程中容易因自身機械性能不足而發(fā)生結(jié)構(gòu)塌縮。通過在富含微顆粒的支撐浴中3D打印生物墨水，能夠防止其打印結(jié)構(gòu)塌縮，進而實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速構(gòu)建。然而，較低的打印分辨率阻礙了支撐浴下3D打印在組織工程中的廣泛應(yīng)用。為了解決該問題，大阪大學(xué)的Michiya Matsusaki教授團隊研發(fā)了一種使用檸檬酸鹽改性的結(jié)冷膠微凝膠支撐浴材料體系，實現(xiàn)了膠原等生物墨水材料的高精度打印。
圖1 (a,b) 微凝膠顆粒支撐浴輔助下的擠出式3D打印。 (c,d) 添加檸檬酸鹽前后的結(jié)冷膠支撐浴和其對應(yīng)的不同分辨率的打印結(jié)構(gòu)。 (e) 檸檬酸鈉改性的結(jié)冷膠支撐浴制備過程。 (f) 不同檸檬酸鈉濃度下結(jié)冷膠微顆粒的激光共聚焦掃描顯微鏡圖像。
支撐浴下3D打印的打印精度與支撐浴材料性質(zhì)緊密相關(guān)。如圖1所示，顆粒尺寸更小，分布更均勻的微凝膠支撐浴的打印分辨率更高。Michiya Matsusaki教授團隊基于霍夫邁斯特效應(yīng)（Hofmeister effect），通過在結(jié)冷膠支撐浴體系中加入檸檬酸鈉，緩解了結(jié)冷膠微顆粒的聚集現(xiàn)象，使結(jié)冷膠微粒在浴液中處于良好的分散狀態(tài)，從而構(gòu)建了一個小粒徑的、同質(zhì)均勻的結(jié)冷膠支撐浴，實現(xiàn)了高分辨率打印。
圖2 (a) 打印樣品的后處理過程。 (b,c) 打印的膠原蛋白耳朵模型和手部模型。 (d-g) 打印的膠原蛋白心臟模型及其截面。 (h) 打印出的膠原蛋白心臟模型可以握在手中而不會塌陷。 (i-k) 心臟模型的 μCT 圖像。 (l) 將紅色和藍色墨水注入心臟模型，顯示出良好水密性。
圖3（a）力-位移曲線和（b）不同組件的晶格填充管（一體式）之間的能量吸收特性的比較
基于檸檬酸鹽改性的結(jié)冷膠支撐浴體系，Michiya Matsusaki教授團隊使用膠原生物墨水成功構(gòu)建了耳朵、手和心臟等復(fù)雜三維器官結(jié)構(gòu)，如圖2所示。打印完成后，用水清洗即可輕松去除結(jié)冷膠和檸檬酸鈉。打印獲得的膠原蛋白結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的細胞親和性，在接種人類誘導(dǎo)多能干細胞衍生心肌細胞后，膠原心臟發(fā)生了周期性跳動。Michiya Matsusaki教授團隊的工作為開發(fā)用于膠原蛋白等生物墨水材料的高分辨率打印的微凝膠支撐浴體系提供了一種易于操作的策略，為構(gòu)建體外復(fù)雜三維器官提供了新途徑。