哈佛医学院Y. Shrike Zhang和吴训伟课题组AHM:一种单轴或同轴的垂直嵌入挤出式生物打印策略

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三维 (3D) 生物打印技术可以制造出复杂的组织结构，在生物医疗，尤其是在器官移植、再生医学和药物筛选等领域起着重要作用。而受限于多数生物墨水较弱的机械性能，一些有着较大纵横比、实心或空心的线性组织结构则很难用传统3D生物打印的方法实现重建，比如人的小肠绒毛和毛囊等结构。近日，哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授课题组开发了一种单轴或同轴的垂直嵌入挤出式生物打印策略（图1）, 成功打印出同质性或者异质性的线性垂直结构，并在体外成功构建了小肠绒毛和毛囊的关键结构且实现了部分功能。未来可能在组织工程、器官模型、药物研发等领域得到广泛应用。

图1  单轴垂直嵌入式生物打印策略在双层支撑基中重建小肠绒毛组织，或同轴垂直嵌入式生物打印策略以多材料、多节段打印方式重建毛囊组织。

用单轴垂直嵌入式生物打印的方法，在双层支撑基中打印负载Caco-2细胞的小肠绒毛结构。在不同支撑基层中使用的不同浓度的甲基丙烯酰化明胶（GelMA），由于其材料特性的差异，能模拟小肠绒毛的不同位置在体内微环境上的差异。 通过优化打印参数，如喷嘴的移动速度，生物墨水和支撑基中的材料浓度和生物墨水中的细胞浓度，成功打印了具有相似形状和尺寸的小肠绒毛结构。在体外培养的过程中，在不同层中的细胞的形态、增殖和聚集，以及特殊蛋白的免疫荧光染色都存在明显差异。在浓度较低的支撑基中，细胞能更好聚集和生长，形成较完整的Caco-2 细胞层。

为拓展该生物打印方法的多样性，双层同轴喷嘴的制备允许同时使用两种生物墨水进行打印，从而构建更为复杂的组织结构，如毛囊。通过调节喷嘴的移动速度和喷嘴中不同层的压力，能够较为精确的调控在支撑基中打印的线状结构的直径和长度，从而可以在之后的生物打印中构建高仿真的毛囊结构。

在优化打印参数后，与吴训伟研究员课题组的合作使用了同轴垂直嵌入式生物打印的方法，将分别载有人真皮乳头细胞（hDPC）和人角质形成细胞（hKC）的两种生物墨水，以合适的比例精确的加载到支撑基的目标位置。在支撑基中混入的人真皮成纤维细胞（hFb）可以模拟毛囊在人体皮肤中的微环境。hDPC、hKC 和hFb在特定位置的共培养，为细胞提供了更为多样和复杂的细胞间相互作用，促进了hDPC和hKC的聚集和分化。体外培养一到四周后，在免疫荧光染色和H&E染色结果中可以观察到hDPCs在毛囊结构底部发生了聚集，这是毛囊形成的关键步骤，并且在上方的 hKCs分化形成类似于真实毛囊中的结构并表达毛囊的标记蛋白，反映出了 hKCs和 hDPCs的仿生结构。

该文章以“Uniaxial and Coaxial Vertical Embedded Extrusion Bioprinting”为题发表在《Adv. Healthcare Mater.》上。 哈佛大学医学院科研助理连黎明、哈佛医学院访问学者周翠萍（现为南方医科大学医师）、哈佛大学医学院联合培养博士唐国胜（现任广州医科大学教授）为论文的共同第一作者，共同通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授和吴训伟研究员。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202102411

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