利用三維立體光刻技術構建具有非均質微機械環(huán)境的三維生物支架

來源： EngineeringForLife

我們知道，細胞外基質的微機械環(huán)境對組織的生長發(fā)育非常重要，人體內不同部位的細胞生存的機械環(huán)境也不盡相同。比如，血管內皮細胞需要經受血管的舒張以及血液流動對它產生剪切力的影響，肌腱細胞需要承受劇烈的拉伸變形，心肌細胞則需要提供長期的疲勞變形。組織器官內部微機械環(huán)境的改變有可能會引發(fā)各種心血管疾病和組織器官的癌變。因此，設計一個與原生組織相類似的細胞外基質微機械環(huán)境，對組織工程中組織器官的替換、藥物篩選以及疾病建模非常有意義。但是構建三維空間上異質的微機械環(huán)境仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為從機械工程的角度來看，三維結構幾何形狀的成型與機械剛度總是相互耦合，如何在保證結構成型的同時，實現(xiàn)不同區(qū)域機械剛度的調控是一個工程學上的難題。

對此，美國科羅拉多大學機械工程系Xiaobo Yin教授團隊在Nature Communications上發(fā)表了題為Orthogonal programming of heterogeneous micro-mechano-environmentsand geometries in three-dimensional bio-stereolithography的研究論文。該論文通過應用三維立體光刻技術（DLP打印技術）對水凝膠材料進行具有機械異質性三維支架的打印研究，成功構建了具有不同剛度的水凝膠支架，為體外機械異質三維組織的制造開辟了新的途徑。

在DLP打印技術中，水凝膠材料在光源的照射下進行交聯(lián)，從而形成具有一定形狀的凝膠結構，其中曝光劑量（曝光強度和曝光時間）是非常重要的工藝參數，它直接影響了水凝膠的交聯(lián)密度和每層固化厚度，大劑量的曝光（過大的曝光強度或者過長的曝光時間）在提高水凝膠交聯(lián)密度的同時，也會大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交聯(lián)的過程中，氧氣（O2）的存在會形成氧抑制區(qū)域，影響最后的打印結果。但在該研究中，他們發(fā)現(xiàn)控制一定程度的氧抑制層的存在，可以使得每層的固化厚度對曝光劑量不敏感，但是卻可以很好地調節(jié)局部的交聯(lián)密度，從而來構建局部不同的機械剛度，如圖1所示。

圖1 利用氧抑制的DLP打印原理

這樣，既保證了水凝膠結構的打印精度，同時大大增加了曝光劑量的調控范圍，使得水凝膠結構的剛度可以在一個較大范圍內進行調控。為了演示水凝膠結構局部剛度的調控，研究人員打印了硬/硬、軟/硬、軟/軟三種不同組合的細桿懸挑結構，如圖2所示。同時，還構建了一個“外剛內柔”的兵馬俑模型來體現(xiàn)同一模型內部局部機械剛度的調控能力。

圖2 細桿懸挑結構和“兵馬俑”結構的打印展示

圖3 機械異質水凝膠支架的生物學性能表征

該打印策略構建的三維水凝膠結構在生物應用上更是大放異彩，研究人員構建了半軟半硬的3D血管結構模型，并在其上接種了牛肺動脈平滑肌細胞（bPASMCs），細胞顯示了良好的生長狀況，如圖3所示，有意思的是，在不同的剛度區(qū)域內，細胞的長勢完全不同。bPASMCs細胞在高剛度區(qū)域（大曝光劑量）進行了非常好的黏附與遷移，但在低剛度區(qū)域（小曝光區(qū)域）卻幾乎沒有細胞的黏附生長。這進一步說明了細胞外基質的機械異質性對細胞生長的調控作用，同時也揭示了利用該方法構建局部異質的微機械環(huán)境的能力，和及進行體外生物異質組織制造的潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-06685-1