生物3D打印新玩法:打印结构泡泡就变小了

3D打印快讯
2020
04/03
09:58
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来源: EngineeringForLife

由于材料适用范围广、操作简单,挤出式生物3D打印在生物医学中得到了广泛的应用。然而,受限于喷嘴尺寸和水凝胶特性,挤出打印纤维的分辨率通常为几百微米。现有提高精度的策略聚焦在改善打印机硬件及墨水性能上,例如使用较小直径的喷嘴或高黏度的墨水。但是,这些情况都不可避免地增加了挤出力,从而导致细胞所受的剪应力显著增加,大大影响细胞存活率。

近日,哈佛医学院Yu Shrike Zhang教授团队提出了收缩打印新策略,通过打印结构的后处理(络合诱导)来提高分辨率,不需要改变任何打印机硬件或墨水成份。具体地,将基于亲水性多离子生物墨水(GelMA、HAMA、海藻酸酸钠等)打印的水凝胶结构浸泡在电荷相反的聚阳离子壳聚糖溶液中,电荷络合作用导致水从凝胶中排出,导致水凝胶结构迅速收缩。相关论文“Complexation-inducedresolution enhancement of 3D-printed hydrogel constructs”已发表在Nature Communications上。

首先,以HAMA水凝胶为例,系统地研究了络合作用诱导的水凝胶收缩机制,并定性定量分析了材料参数对收缩程度的影响规律(图1)。圆柱形HAMA水凝胶在壳聚糖醋酸溶液中浸泡后直径和高度缩小了60%,体积减少了21%。而且壳聚糖的分子量越大,电荷密度越高,收缩率就越高。此外,水凝胶的初始体积虽然影响收缩时间,但对收缩程度并无明显影响。

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图1 络合作用诱导的水凝胶收缩机制:(a)收缩原理示意图;(b)HAMA水凝胶在壳聚糖溶液中浸泡前后的对比图;(c)HAMA水凝胶在壳聚糖溶液中浸泡前后的尺寸变化定量分析;(d)壳聚糖分子量和电荷密度对收缩程度的影响;(e)荧光标记的壳聚糖在HAMA中的扩散过程;(f)壳聚糖水凝胶在醋酸溶液中溶胀(下)但在海藻酸溶液中收缩(上)

接着针对几种典型的挤出3D打印技术进行了收缩打印策略的有效应验证研究,包括直接挤出打印、牺牲打印微流道和同轴打印中空纤维,如图2-4所示。采用这些技术打印的水凝胶结构都观察到了成功的收缩,证明了收缩打印方法的广泛适用性。

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图2 直接挤出打印HAMA结构的收缩行为研究:(a)收缩过程示意图;(b)(c)HAMA的可打印性分析;(d-i)打印的HAMA结构的定性定量尺寸收缩分析

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图3 牺牲打印内含微流道的HAMA结构的收缩行为研究:(a)收缩过程示意图;(b)(c)基于F127牺牲材料的流道打印收缩定性定量分析;(d-i)基于高精度PCL支架牺牲层的流道打印收缩定性定量分析

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图4 同轴挤出打印HAMA中空纤维的收缩行为研究:(a)(b)同轴打印原理及收缩过程示意图;(c-g)打印的HAMA中空纤维的尺寸收缩定性定量分析

最后,研究了收缩打印方法的生物相容性。设计了两种收缩工艺:一步收缩和连续收缩,并比较了它们对MCF-7细胞存活率的影响。结果表明连续两次较低程度的收缩可以最大限度地减少收缩对包裹细胞的损害,并保持其增殖潜力,验证了收缩打印在直接载细胞打印中的适用性。

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图5 收缩打印策略的生物相容性研究:(a)一步收缩和连续收缩原理示意图;(b)(c)两种收缩方式下的MCF-7细胞活性分析定形定量分析;(d)(e)MCF-7细胞的增殖marker(ki67)定性定量分析

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14997-4
参考文献:
Complexation-inducedresolution enhancement of 3D-printed hydrogel constructs

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