AHM:3D打印可调节孔隙率的微凝胶支架促进细胞渗透

3D打印生物医疗
2021
11/26
14:33
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来源 :EngineeringForLife  

基于颗粒状微凝胶固有的多孔特性,可促进细胞渗透,已成为有前景的组织工程支架材料。3D打印的流变特性受到微凝胶填充和孔隙率的影响,因此将颗粒状微凝胶应用于3D生物打印,同时保持足够的孔隙率以实现细胞迁移,增强细胞功能活性,可能是一项挑战。

近期,美国斯坦福大学材料科学与工程系Sarah C. Heilshorn教授研究团队通过使用牺牲明胶微凝胶与甲基丙烯酰化明胶(GelMA)微凝胶混合来控制3D生物打印颗粒生物墨水的孔隙率。通过3D打印和UV光交联之后,牺牲明胶微凝胶可通过37℃孵育和洗涤去除,剩下的凝胶支架由微凝胶交联网络组成(图1)。相关研究论文:“3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction”发表于杂志Advanced Healthcare Materials上。

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图1 基于牺牲性明胶微凝胶的微孔凝胶生物墨水的设计示意图

水凝胶微球制备材料:
明胶微球:明胶+阿拉伯树胶+PF127,甲基丙烯酰化明胶(GelMA)微球:GelMA+明胶+阿拉伯树胶+PF127

1. 水凝胶微球的理化性能表征
研究者采用复合凝聚法制备得到明胶微球和GelMA微球。明胶微球的平均直径为18.0 ± 3.97 μm,GelMA微球的平均直径为50.55 ± 14.31 μm。接下来,为了探究微凝胶生物墨水可挤出3D生物打印的可行性,研究者研究了不同浓度下微凝胶的流变学行为,并最终选择微凝胶的总浓度为6wt%,其中明胶和GelMA微凝胶以不同的比例混合,从100%w/w GelMA (0:100)到100% w/w明胶(0:100)(图2)。在挤出打印模型过程(无支撑材料条件下)中,研究者探究了GelMA:明胶微凝胶生物墨水打印垂直结构的量化表征,结果说明微凝胶含量在5wt%以上的生物墨水适宜于打印不塌陷的垂直形状结构。且试验显示GelMA微凝胶含量为60%的生物墨水能够在保持预凝胶高度的同时保持圆柱形和蓄水(图3)。

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图2 无UV交联下GelMA和明胶微凝胶生物墨水的流变特性和3D特性

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图3 3D打印自支撑层叠结构

2. GelMA:明胶复合微凝胶生物墨水的孔隙率分析
研究者将打印温度控制在25℃,然后将打印出的支架立即进行紫外交联,浸入到分子量为2000 kDa FITC标记的葡聚糖中,在37℃下孵育24小时。当牺牲性明胶微凝胶液化时,FITC标记的葡聚糖很容易扩散到整个孔隙空间,而不穿透交联的GelMA微凝胶。实验结果表明,随着复合墨水中明胶微凝胶相对比例的增加,交联明胶微凝胶间形成的孔隙空间也逐渐增大(图4)。

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图4 GelMA:明胶复合微凝胶孔隙率的直观表征

3. GelMA:明胶复合微凝胶的生物相容性
研究者在体内外展示了该复合微凝胶生物墨水对于内皮细胞的渗透。将各组凝胶DPBS彻底清洗以去除牺牲明胶微凝胶,然后将内皮细胞与凝胶孵育7天。试验表明,各组凝胶均能实现较高的细胞存活率。内皮细胞的迁移不仅受到支架几何形状的影响,还受到支架力学、细胞粘附配体的密度和间距以及细胞因子的影响。因此,为了证明该墨水提供了合适的微环境来诱导内皮细胞的迁移,研究者进行了细胞浸润试验。细胞核z轴方向的定量显示HUVEC渗入到孔隙率较大的墨水中(图5)。

除了渗透深度外,研究者探究了HUVEC在不同打印结构之间的形态。GelMA:明胶微球相对比例为100:0的样品(即只有间隙孔隙的样品)与阴性对照样品最相似,培养7d后细胞形成明显的单层(图5d)。相比之下,在40:60的样本中,HUVEC细胞核在凝胶支架的表面和深处均可观察到。试验表明,利用牺牲明胶微凝胶配制的颗粒墨水可以构建具有可调孔隙的凝胶支架,为内皮细胞提供一个允许的迁移环境(图6)。

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图5 较大孔隙率微凝胶基墨水增强细胞对3D打印结构的渗透

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图6 培养7 d后,内皮细胞在不同3D打印微凝胶中的迁移现象

综上,研究者通过复合GelMA微凝胶和牺牲性明胶微凝胶形成复合生物墨水,该墨水具有可调的打印性能和孔隙率。该研究利用传统3D打印策略,扩大了牺牲性生物墨水在更广泛的生物医学应用中的适用性。

光固化GelMA水凝胶(EFL-GM系列)
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甲基丙烯酰化明胶(GelMA)由于具有生物兼容性好、可见光固化的特点,已广泛应用于细胞3D培养、组织工程、生物3D打印等研究领域,已有上万篇学术论文中采用了GelMA水凝胶。EFL团队研制的GelMA产品具有批次稳定、服务专业等优点。自推出以来,已服务哈佛、剑桥、麻省理工、港大、清华、北大、浙大、上交等国内外高校的数百个课题组。

参考文献

Alexis J. Seymour,Sungchul Shin,Sarah C. Heilshorn. 3D Printing of Microgel Scaffolds with Tunable Void Fraction to Promote Cell Infiltration. Advanced Healthcare Materials
https://doi.org/10.1002/adhm.202100644


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