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哈佛醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授課題組《Nat. Commun.》：創(chuàng)新性增材制造方法解決軟組織構(gòu)建難題
2022-06-13  來源：高分子科技

  基于數(shù)字光處理（DLP）的生物打印適用于構(gòu)建具有復雜結(jié)構(gòu)的組織，但是針對軟組織的生物打印中，一直存在著難以在保證生物墨水打印性和打印結(jié)構(gòu)復雜性的同時為其中的細胞提供適宜的微環(huán)境的挑戰(zhàn)。近日，哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授課題組開發(fā)了一種分子剪切的方法，在廣泛使用的生物材料甲基丙烯酸酐化明膠（GelMA）中混入甲基丙烯酰化透明質(zhì)酸（HAMA）以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的打印，隨后再通過特異性地酶解其中的HAMA網(wǎng)絡(luò)，最終在不損失結(jié)構(gòu)復雜性和保真性的同時，獲得與組織相匹配的力學性能并利于細胞的存活及功能（圖1）。該方法能精確調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的硬度、構(gòu)建與組織力學性能相對應(yīng)的復雜組織模擬物以實現(xiàn)細胞的功能化，進而推動3D生物打印在組織修復及體外模型構(gòu)建中的應(yīng)用。


圖1 利用GelMA/HAMA生物墨水實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的DLP 3D生物打印并通過特異性酶（Hase）的分子剪切獲得組織相應(yīng)的力學性能從而為細胞生長及功能提供微環(huán)境


  基于DLP打印和GelMA/HAMA生物墨水，該研究成功地打印了一系列復雜的高保真的三維結(jié)構(gòu)，包括邊緣和頂端特征清晰的金字塔結(jié)構(gòu)、外周由曲面構(gòu)成同時具有內(nèi)部交錯孔特征的gyroid結(jié)構(gòu)、以及含有復雜的內(nèi)部通道的結(jié)構(gòu)（圖2）。


圖2 基于DLP打印和GelMA/HAMA生物墨水實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的3D打印


  本研究進一步建立了打印的結(jié)構(gòu)經(jīng)過酶解后的硬度模型，系統(tǒng)性地闡明了GelMA濃度、HAMA濃度、酶（Hase）濃度和處理時間等對結(jié)構(gòu)硬度的影響（圖3）。基于該模型和組織特相應(yīng)的硬度數(shù)值，選取特定的酶處理時間和濃度的參數(shù)，研究者最終實現(xiàn)了多種軟組織（腦、肝、肺、心臟）硬度的模擬。同時酶解后的組織類似物仍然保持打印后的高保真性。 


圖3 可調(diào)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擬軟組織的復雜結(jié)構(gòu)和硬度特征


  本研究應(yīng)用GelMA/HAMA生物墨水和創(chuàng)新的分子剪切方法，3D生物打印含有C2C12的結(jié)構(gòu)并誘導分化，形成了具有徑向細胞排列、肌肉特異性標志物MHC和細胞融合的骨骼肌類似物（圖4）。此外，打印的含有HepG2/C3A的肝臟模擬物本證明具備肝臟的代謝功能同時高表達肝臟特異性標志物（圖4）。


圖4 肌肉和肝臟模擬物的3D生物打印及其驗證


  最后，研究者結(jié)合人胚胎干細胞分化獲得的神經(jīng)祖細胞進行3D生物打印，在酶處理后接近真實的腦組織的硬度（約1kPa）的腦模擬物中，觀察到增強的神經(jīng)祖細胞的存活和增殖（圖5）。誘導分化培養(yǎng)一個月后，觀察到神經(jīng)組細胞成功分化為包括神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞在內(nèi)的多種細胞。同時檢測到強烈的電活動信號，證明其成功分化為具有功能的神經(jīng)元。RNA-seq的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)與機械傳導相關(guān)的信號通路，印證了基質(zhì)的力學特性對干細胞分化及功能的重要性。


 圖5 神經(jīng)祖細胞3D生物打印并分化獲得功能性的腦模擬物


  該文章以“Molecularly cleavable bioinks facilitate high performance digital light processing-based bioprinting of functional volumetric soft tissues” 為題發(fā)表在Nature Communications上。哈佛大學醫(yī)學院博士后王冕（現(xiàn)為同濟大學特聘研究員），哈佛大學醫(yī)學院博士后李婉露（現(xiàn)為上海交通大學長聘教軌助理教授），和哈佛大學干細胞研究所博士郝晉（現(xiàn)為斯坦福大學博士后）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授。


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

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（責任編輯：xu）
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