生物3D打印应用 | 挤出与静电纺丝配合打印三维活性生物结构

生物3D打印是以数字三维模型为模板，通过层层堆叠的方式制造生物材料、生物支架或组织器官的生产方式。其作为现代医学的有力辅助手段，正在实验和临床阶段发挥越来越重要的作用。

目前，生物3D打印的多种方式中，挤出式打印配合分散有细胞的水凝胶已经可以打印出多种简单的组织、器官，但其机械强度仍然无法达到在高度上随意堆叠的程度，即只能打出近似平面结构。因此，有科学工作者将分散有细胞的水凝胶与纤维搭配使用，通过纤维搭建的三维支架，将细胞填充以进行培养^[1]。

目前比较成熟的纤维打印使用的是熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling, FDM），但FDM相对较差的分辨率，使得打印出来的支架无法稳定提供用于细胞分化的合适微环境。在此情况下，新型的熔融电子书写（Melt Electrowriting, MEW，也被称为熔融静电纺丝）逐渐被人们所重视。MEW的打印精度完全可以达到相关实验的要求，但之前的报道均是先打印好支架，然后再将细胞嵌入其中。这对于结构复杂的支架而言，很难保证内部充分填充，于是荷兰乌特勒支大学教授Miguel Castilho和Jos Malda通过采用regenHU 3DDiscovery Evolution系列打印机的挤出和静电纺丝两种打印头协调工作，成功实现单步骤完成活性生物结构的打印过程。

同时安装静电纺丝打印头和挤出式打印头，即可实现单一步骤打印

该科研组为马间充质干细胞进行荧光染色后，将其分散在10%甲基丙烯酸酐化明胶（gelMA）中，作为生物墨水，用挤出式打印头进行打印；选用聚己内酯作为支架墨水，用静电纺丝打印头进行打印。静电纺丝可以打印细至13 μm的丝线，而gelMA的挤出式打印直径在200 – 400 μm之间，通过静电纺丝打印出框架，使得gelMA可以固定在既定位置，间接提高了挤出式打印头的分辨率。

分别用Dil（红）、DiO（蓝）和DiD（绿）染色的马间充质干细胞在纤维支架（灰）中的打印情况

当然，在生物体中，纤维的分布远比简单几何图形要复杂，为了证明这种打印方式可以应用于更为复杂的条件，该科研组也尝试在各种不同形状的水凝胶表面打印纤维，均有良好的附着和定形能力，大大扩展了该纤维打印方式的应用面。

静电纺丝（横向细线，白色箭头）打印在由水凝胶（底部斜向粗线，黄色箭头）堆叠的不同形状表面

同时，科研组也对打印环境、打印条件对生物墨水中细胞成活率的影响进行了详尽的研究。科研组将生物墨水分别暴露在打印环境中15、30、45、60 min，再进行细胞分化培养。发现相对于直接浇筑成形（暴露0 min）的活性组织结构，细胞的成活率分别下降了12%、33%、63%和80%。而静电纺丝电压测试显示，使用0、5、10、15 kV的电压进行工作对细胞成活率无显著性差异。

不同打印时间对细胞成活率的影响    

不同工作电压对细胞成活率的影响

Miguel Castilho和Jos Malda的成果使得打印生物活性结构的效率得到了进一步提升，构建精确可控的三维结构组织得以实现，我们可以在不对机械强度、细胞成活率做出任何让步的前提下构建临床可用的组织、器官。

[1] Akbari M , Tamayol A , Laforte V , et al. Composite Living Fibers for Creating Tissue Constructs Using Textile Techniques[J]. Advanced Functional Materials, 2014, 24(26):4060-4067.

[2] de Ruijter Mylène, Alexandre R , Inge D , et al. Simultaneous Micropatterning of Fibrous Meshes and Bioinks for the Fabrication of Living Tissue Constructs[J]. Advanced Healthcare Materials, 2018:1800418.

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