供稿人：顏湛、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-11-12
ECM基水凝膠富含對細(xì)胞粘附和成熟有幫助的生物活性分子，這些分子可以促進(jìn)細(xì)胞與支架材料的相互作用。具有良好的細(xì)胞相容性，能夠支持不同類型的細(xì)胞在支架上的生長和增殖。能夠提供三維結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞提供更接近于自然細(xì)胞微環(huán)境的條件，有利于細(xì)胞的形態(tài)和功能表達(dá)。最近，一篇為名《Post-Maturation Reinforcement of 3D-Printed Vascularized Cardiac Tissues》的文章提出了一種以完全生物相容性的方式增強由分化的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）和基于細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的水凝膠制成的工程心臟組織的方法。增強是作為制造后步驟進(jìn)行的，它允許使用3D打印技術(shù)來生成厚的，完全細(xì)胞化和血管化的心臟組織。在組織組裝后和在軟水凝膠中的成熟過程中，部署一種小型的組織穿透增強劑，從而顯著提高組織的機(jī)械性能。通過在模擬微創(chuàng)程序中注射組織并顯示組織在納米、微觀和宏觀尺度上功能正常且未受損，可以證明組織的穩(wěn)健性。
如下圖1所示，在組織組裝后和成熟過程中，在生長培養(yǎng)基中加入一個小的增強生物分子，可以使其深入到整個工程結(jié)構(gòu)中，并從內(nèi)部顯著安全地增加組織的強度。
圖1 可部署的擠出生物打印
將SOx作為打印后和組織組裝后的增強劑添加到組織生長培養(yǎng)基中將使細(xì)胞有時間在軟水凝膠內(nèi)形成細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用（圖2a）。由細(xì)胞活力測試表明，在濃度低于0.1%時，SOx的存在對細(xì)胞活力沒有影響（圖2c）。因此，在評估SOx增強對水凝膠機(jī)械性能的影響時，作者使用了低于該閾值的濃度。ECM-水凝膠中存在的46%±11%的胺與SOx反應(yīng)（圖2f）。并且高分辨率成像顯示，SOx的增強在不改變內(nèi)部形態(tài)的情況下進(jìn)行（圖2g，h）。說明在交聯(lián)之前和之后計算網(wǎng)格中孔的大小，并且在樣品之間沒有觀察到差異。
圖2 增強水凝膠
為了設(shè)計出具有臨床相關(guān)性的心臟貼片，該貼片必須包含高水平的血管化。因此，通過有限元分析評估潛在的血管結(jié)構(gòu)，以確保打印的血管能夠為組織中的所有細(xì)胞提供足夠的氧氣。然后是打印設(shè)計的心臟組織（圖3b）。血管腔是通過在明膠漿液中打印EC而產(chǎn)生的。生產(chǎn)微粒漿料，以便明膠可以在室溫下打印，以匹配打印ECM生物墨水所需的條件。打印后立即評估細(xì)胞的整體定位，以確保CM填充實質(zhì)，而內(nèi)皮細(xì)胞定位到血管（圖3c）。此外，還評估了組織的功能。在收縮組織中測量鈣瞬變，并在整個貼片中跟蹤單個脈沖，以確保完整的CM網(wǎng)絡(luò)（圖3f）。收縮的同步性表明高度的相互聯(lián)系和組織組織。
圖3 強化工程組織
如圖4a，模擬他們在微創(chuàng)手術(shù)中可能面臨的條件。通過SEM對注射組織的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。盡管組織在注射過程中承受了應(yīng)力，但組織ECM的纖維網(wǎng)絡(luò)被證明具有足夠的彈性，并且注射后ECM的納米結(jié)構(gòu)沒有變化（圖4b，c）。相比之下，未添加SOx的打印心臟組織在注射過程中被物理撕裂。評估注射后的組織功能。注射后，心臟組織立即停止跳動。30分鐘后已經(jīng)可以觀察到自發(fā)收縮。在三小時內(nèi)完全恢復(fù)，此時自發(fā)收縮恢復(fù)到注射前的水平（圖4g）。
圖4 注射增強的工程組織