哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授课题组《Nat. Commun.》：创新性增材制造方法解决软组织构建难题

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基于数字光处理（DLP）的生物打印适用于构建具有复杂结构的组织，但是针对软组织的生物打印中，一直存在着难以在保证生物墨水打印性和打印结构复杂性的同时为其中的细胞提供适宜的微环境的挑战。近日，哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授课题组开发了一种分子剪切的方法，在广泛使用的生物材料甲基丙烯酸酐化明胶（GelMA）中混入甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）以实现复杂结构的打印，随后再通过特异性地酶解其中的HAMA网络，最终在不损失结构复杂性和保真性的同时，获得与组织相匹配的力学性能并利于细胞的存活及功能（图1）。该方法能精确调控打印结构的硬度、构建与组织力学性能相对应的复杂组织模拟物以实现细胞的功能化，进而推动3D生物打印在组织修复及体外模型构建中的应用。

图1 利用GelMA/HAMA生物墨水实现复杂结构的DLP 3D生物打印并通过特异性酶（Hase）的分子剪切获得组织相应的力学性能从而为细胞生长及功能提供微环境

基于DLP打印和GelMA/HAMA生物墨水，该研究成功地打印了一系列复杂的高保真的三维结构，包括边缘和顶端特征清晰的金字塔结构、外周由曲面构成同时具有内部交错孔特征的gyroid结构、以及含有复杂的内部通道的结构（图2）。

图2 基于DLP打印和GelMA/HAMA生物墨水实现复杂结构的3D打印

本研究进一步建立了打印的结构经过酶解后的硬度模型，系统性地阐明了GelMA浓度、HAMA浓度、酶（Hase）浓度和处理时间等对结构硬度的影响（图3）。基于该模型和组织特相应的硬度数值，选取特定的酶处理时间和浓度的参数，研究者最终实现了多种软组织（脑、肝、肺、心脏）硬度的模拟。同时酶解后的组织类似物仍然保持打印后的高保真性。

图3 可调控地硬度模型建立以及GelMA/HAMA生物墨水和分子剪切方法打印和模拟软组织的复杂结构和硬度特征

本研究应用GelMA/HAMA生物墨水和创新的分子剪切方法，3D生物打印含有C2C12的结构并诱导分化，形成了具有径向细胞排列、肌肉特异性标志物MHC和细胞融合的骨骼肌类似物（图4）。此外，打印的含有HepG2/C3A的肝脏模拟物本证明具备肝脏的代谢功能同时高表达肝脏特异性标志物（图4）。

图4 肌肉和肝脏模拟物的3D生物打印及其验证

最后，研究者结合人胚胎干细胞分化获得的神经祖细胞进行3D生物打印，在酶处理后接近真实的脑组织的硬度（约1kPa）的脑模拟物中，观察到增强的神经祖细胞的存活和增殖（图5）。诱导分化培养一个月后，观察到神经组细胞成功分化为包括神经元和星形胶质细胞在内的多种细胞。同时检测到强烈的电活动信号，证明其成功分化为具有功能的神经元。RNA-seq的结果分析发现与机械传导相关的信号通路，印证了基质的力学特性对干细胞分化及功能的重要性。

图5 神经祖细胞3D生物打印并分化获得功能性的脑模拟物

该文章以“Molecularly cleavable bioinks facilitate high performance digital light processing-based bioprinting of functional volumetric soft tissues” 为题发表在Nature Communications上。哈佛大学医学院博士后王冕（现为同济大学特聘研究员），哈佛大学医学院博士后李婉露（现为上海交通大学长聘教轨助理教授），和哈佛大学干细胞研究所博士郝晋（现为斯坦福大学博士后）为论文的共同第一作者，通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31002-2

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