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學(xué)術(shù)分享 I 生物3D打印膠原蛋白高分辨率內(nèi)部可灌注支架，用于構(gòu)建完全生物組織系統(tǒng)

發(fā)布時間：2025-11-28   瀏覽量：   分享到：

基于膠原蛋白的3D生物打印可灌注支架研究


研究背景

心血管系統(tǒng)是所有脊椎動物發(fā)育的關(guān)鍵，負責(zé)為組織和器官輸送氧氣與營養(yǎng)，并清除代謝廢物。然而，構(gòu)建具有可灌注流體網(wǎng)絡(luò)的組織工程支架一直是生物工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)組織工程支架存在局限性，要么厚度受限于被動營養(yǎng)擴散（約200μm），要么較大結(jié)構(gòu)因缺氧形成壞死核心。微流控芯片和器官芯片系統(tǒng)雖在模擬血管流動和生物過程方面發(fā)揮了作用，但制造材料多為塑料和彈性體（如聚二甲基硅氧烷），存在機械性能與天然組織差異大、可能吸附脂溶性生物分子、制造需光刻技術(shù)和潔凈室、無法被細胞重塑等問題。

水凝膠基材料構(gòu)建可灌注支架被認為是解決這些挑戰(zhàn)的有效途徑，但現(xiàn)有技術(shù)在3D空間中圖案化細胞、水凝膠、細胞外基質(zhì)等成分方面仍存在不足，限制了模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能。

研究內(nèi)容

核心技術(shù)平臺構(gòu)建

  • CHIPS制備：利用懸浮水凝膠自由可逆嵌入（FRESH）3D生物打印技術(shù)，將膠原蛋白水凝膠、細胞外基質(zhì)和細胞直接打印成基于膠原蛋白的高分辨率內(nèi)部可灌注支架（CHIPS）。打印過程中，生物材料被直接擠壓到由明膠微粒漿料組成的熱可逆支撐浴中，支撐浴通過賓漢塑性流變學(xué)特性固定生物墨水細絲，并觸發(fā)其快速凝膠化。打印完成后，將溫度升至37°C熔化明膠，即可無損取出支架。
  • VAPOR生物反應(yīng)器開發(fā)：為解決柔軟膠原蛋白支架的灌注問題，設(shè)計了血管系統(tǒng)和灌注器官芯片反應(yīng)器（VAPOR）。該反應(yīng)器由生物相容性樹脂3D打印的主體（含魯爾鎖連接配件和內(nèi)部流體通道）和帶硅膠墊片與玻璃成像窗口的可拆卸蓋子組成，還包含類淋巴流體路徑，可緩解組裝時的壓力峰值、提供旁路流道并實現(xiàn)間質(zhì)液再循環(huán)。
圖1. FRESH打印CHIPS的制備、3D測量和灌注。(A) FRESH生物打印和釋放過程示意圖；(B-D) CAD設(shè)計、膠原蛋白生物墨水FRESH打印、OCT成像顯示高分辨率膠原蛋白擠壓和中空腔（暗區(qū)）、3D測量顯示打印誤差分布；(E) 多尺度血管床設(shè)計（腔徑1mm至250μm）；(F) 膠原蛋白I FRESH打印的多尺度血管床；(G) 藍色染料灌注多尺度血管支架；(H) OCT成像和橫截面分析顯示腔通暢性和圓形保真度；(I) 3D測量顯示平均偏差<11μm的高保真打印。
圖2. VAPOR生物反應(yīng)器平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。(A) VAPOR底座、蓋子和墊片組件、CHIPS與VAPOR倒刺接口、雙獨立流道的CAD模型和示意圖；(B) 組裝后的VAPOR系統(tǒng)尺寸；(C) 灌注紅藍色染料以可視化內(nèi)部流體網(wǎng)絡(luò)的VAPOR圖像；(D) 灌注前插入蛇形CHIPS的完整VAPOR；(E) VAPOR灌注系統(tǒng)示意圖；(F) 放入細胞培養(yǎng)箱前的VAPOR平臺和灌注系統(tǒng)。

技術(shù)性能驗證

  • 打印精度評估：通過光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和3D測量，驗證了蛇形、三通道和堆疊通道等多種CHIPS設(shè)計的打印精度。結(jié)果顯示，打印誤差均小于20μm，接近OCT系統(tǒng)的成像分辨率極限（XY方向16μm體素）和生物打印機的機械性能（±8μm）。
  • 灌注功能測試：在VAPOR生物反應(yīng)器中對CHIPS進行灌注測試，實現(xiàn)了層流和脈動流灌注，驗證了支架的流體混合能力和通道完整性。同時，證明CHIPS可支持100-1000μl/min的流速，產(chǎn)生的壁面剪切應(yīng)力在大靜脈和小動脈的生理范圍內(nèi)（1-10dyne/cm2）。
  • 分子擴散特性研究：利用不同分子量（3-70kDa）的熒光素異硫氰酸酯（FITC）標記葡聚糖，研究了分子在無細胞CHIPS中的擴散特性。結(jié)果表明，擴散具有分子量依賴性，且施加5-10mmHg的壓力差可促進大分子擴散。
圖3. VAPOR灌注FRESH CHIPS。(A) 雙入口單出口蛇形網(wǎng)絡(luò)CHIPS的CAD設(shè)計；(B) FRESH打印蛇形CHIPS的立體顯微鏡圖像；(C) OCT體積成像顯示500μm通暢腔（暗區(qū)）；(D) 紅黑染料灌注的蛇形CHIPS；(E-F) 層流灌注實驗示意圖和結(jié)果；(G-I) 脈動流灌注實驗示意圖、結(jié)果和pH混合曲線分析；(J-L) 堆疊通道CHIPS的CAD設(shè)計、打印圖像和OCT橫截面；(M-N) 堆疊通道CHIPS的灌注圖像；(O-Q) 3D螺旋CHIPS的CAD模型、打印圖像和OCT成像；(R) 210分鐘灌注后低分子量染料在螺旋CHIPS中的完全擴散。
圖4. FRESH CHIPS中的擴散特性表征。(A) 雙平行通道CHIPS的CAD模型；(B) 雙平行通道CHIPS的OCT橫截面視圖；(C) 紅藍色染料灌注的雙平行通道CHIPS；(D) 熒光微球灌注跟蹤測量流速分布；(E) 不同分子量FITC標記葡聚糖灌注實驗示意圖；(F) 葡聚糖灌注的時間序列熒光圖像；(G) 不同區(qū)域的熒光強度隨時間變化；(H) 壓力增強擴散實驗示意圖；(I) 不同壓力下40kDa葡聚糖的熒光強度分析；(J-K) 壓力依賴性擴散的時間序列圖像和線輪廓分析。

多功能應(yīng)用驗證

  • 多材料打印與ECM圖案化：開發(fā)了高性能多材料3D生物打印機，實現(xiàn)了細胞外基質(zhì)成分、生長因子和材料剛度的精確空間圖案化。成功打印出含熒光標記纖連蛋白的膠原蛋白層、垂直線條和分支網(wǎng)絡(luò)，以及剛度梯度（6、12、23mg/ml）的膠原蛋白結(jié)構(gòu)。
  • 多細胞CHIPS構(gòu)建：將人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）和人間充質(zhì)干細胞（MSCs）融入纖維蛋白原生物墨水中，通過多材料打印構(gòu)建血管化CHIPS。靜態(tài)培養(yǎng)8天后，觀察到血管內(nèi)皮鈣黏蛋白（VE-Cad）陽性的毛細血管樣網(wǎng)絡(luò)形成；灌注培養(yǎng)進一步促進了內(nèi)皮細胞特異性蛋白表達和血管樣形態(tài)形成。
  • 胰腺樣CHIPS開發(fā)：將小鼠MIN6細胞（具有β細胞樣胰島素分泌功能）與HUVECs、MSCs結(jié)合，制備胰腺樣生物墨水，打印成胰腺樣CHIPS。該支架在靜態(tài)培養(yǎng)8天后保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，MIN6細胞表達胰島素，HUVECs形成毛細血管樣網(wǎng)絡(luò)；灌注培養(yǎng)12天后，葡萄糖刺激胰島素分泌的刺激指數(shù)達到4.6，接近原代胰島水平（刺激指數(shù)約10）。
圖5. 多材料FRESH打印用于體積定義ECM組成、材料性能和生長因子定位。(A-C) 含膠原蛋白框架和熒光標記纖連蛋白膠原蛋白單層、垂直線條和分支網(wǎng)絡(luò)的平行板CHIPS設(shè)計；(D) 多材料打印6、12和23mg/ml膠原蛋白形成的剛度梯度CHIPS。
圖6. 血管細胞生物墨水的多材料打印驅(qū)動VAPOR灌注CHIPS中毛細血管樣網(wǎng)絡(luò)形成和VE-Cad表達增強。(A) 雙平行通道多材料CHIPS的示意圖和G代碼；(B) 膠原蛋白和血管細胞生物墨水的3D共聚焦熒光成像；(C) 膠原蛋白增強壁雙平行通道CHIPS的設(shè)計和G代碼；(D) 膠原蛋白和血管生物墨水空間對齊的共聚焦圖像；(E) 靜態(tài)培養(yǎng)8天的雙平行通道細胞CHIPS的共聚焦成像；(F-G) 微血管細胞擴散遷移和血管樣網(wǎng)絡(luò)形成的共聚焦圖像；(H-J) 灌注培養(yǎng)8天后的CHIPS成像顯示VE-Cad表達和血管樣形態(tài)。
圖7. FRESH打印血管胰腺CHIPS的血管生成和胰島素分泌。(A) 雙平行通道多材料CHIPS的設(shè)計和G代碼；(B) 靜態(tài)培養(yǎng)12天后的胰腺CHIPS立體顯微鏡圖像和共聚焦成像；(C) 血管網(wǎng)絡(luò)分割和直徑密度定量；(D) 細胞沿膠原蛋白細絲遷移的共聚焦圖像；(E) 灌注培養(yǎng)12天后的胰腺CHIPS共聚焦成像；(F) MIN6微腔形成的熒光圖像；(G) 靜態(tài)和灌注培養(yǎng)胰腺CHIPS的葡萄糖刺激胰島素分泌ELISA分析。

研究結(jié)論

  • 成功構(gòu)建了基于FRESH 3D生物打印的CHIPS和VAPOR集成平臺，實現(xiàn)了高分辨率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可灌注生物支架制備和動態(tài)培養(yǎng)。
  • 該平臺具有出色的3D空間圖案化能力，可精確控制細胞外基質(zhì)組成、細胞分布和材料性能，支持毛細血管樣網(wǎng)絡(luò)形成和特定組織功能實現(xiàn)（如葡萄糖響應(yīng)性胰島素分泌）。
  • 與傳統(tǒng)微流控技術(shù)相比，CHIPS和VAPOR平臺具有材料生物相容性好、制造靈活、可直接細胞化等優(yōu)勢，為器官芯片系統(tǒng)、疾病建模和細胞替代療法提供了新的技術(shù)途徑。
  • 雖然目前最小可灌注通道直徑約為100μm，存在一定局限性，但通過優(yōu)化支撐浴中明膠微粒尺寸等參數(shù)，有望進一步提升分辨率。同時，該技術(shù)具有良好的可及性，可通過商業(yè)3D生物打印機或改造的桌面3D打印機實現(xiàn)。

論文信息

英文標題：3D bioprinting of collagen-based high-resolution internally perfusable scaffolds for engineering fully biologic tissue systems

期刊：Science Advances

發(fā)表日期：2025年4月23日

作者：Daniel J. Shiwarski、Andrew R. Hudson、Joshua W. Tashman、Ezgi Bakirci、Samuel Moss、Brian D. Coffin、Adam W. Feinberg

作者單位：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系、匹茲堡大學(xué)生物工程系、匹茲堡大學(xué)心肺血管醫(yī)學(xué)研究所、匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)系、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)與工程系

DOI：10.1126/sciadv.adu5905

3D打印機功能應(yīng)用分析

全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機在該類研究中功能匹配情況及需定制功能，幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。

該研究中涉及的3D打印策略
1、森工可匹配模塊:

①高溫平臺：支持室溫-100℃有效輔助溫敏水凝膠材料打印后輔助固化成型；

②墨水?dāng)D出打?。哼m合低粘度生物材料，如水凝膠、明膠等；

小編對該類研究的拓展設(shè)想
1、拓展思路：

①可搭載紫外燈輔助固化成型模塊該模塊支持多種波長范圍，有效輔助含光引發(fā)劑直寫材料的輔助固化成型；

②搭載同軸模塊通過其特有的調(diào)壓模塊實現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)的組織工程支架；

③可搭載低溫直寫噴頭/平臺模塊該模塊支持-5℃-室溫，能快速提高固化效率，保障材料打印成型效果；

2、涉及模塊介紹：

①支持4波長紫外固化燈（365、385、395、405nm），實現(xiàn)距離、照射角度、光功率等多參數(shù)可調(diào)；

②同軸雙料筒滿載10CC可獨立調(diào)壓，實現(xiàn)不同材料管狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)打??；

③低溫直寫噴頭/平臺模塊：支持-5℃~室溫，噴頭料筒滿載容量10cc，獨立分布式控溫，打印材料在料筒及針尖均可實現(xiàn)精確溫控；低溫平臺實現(xiàn)模塊化冷井設(shè)計，支持對玻片、孔板（6、12、24、48、96孔）直接使用，有效制冷區(qū)域尺寸：90mm*90mm*75mm；控溫范圍：-5℃-室溫

由于小編學(xué)識所限，文中內(nèi)容難免存在疏漏或不足之處。若您發(fā)現(xiàn)任何錯誤或值得商榷的觀點，懇請不吝指正，

小編將第一時間修正完善。感謝您的包容與支持！

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森工科技 AutoBio系列生物3D打印機

  • 1. 科研型定位,滿足科研實驗可視化參數(shù)需求；
  • 2. 材料支持范圍廣，兼容多學(xué)科多領(lǐng)域材料；
  • 3. 支持自調(diào)配材料，靈活適應(yīng)科研實驗要求；
  • 4. 少量材料即可打印測試，高效產(chǎn)出，節(jié)約實驗成本；
  • 5. 支持多噴頭多通道多材料多模式打??；
  • 6. 支持各種外場輔助功能拓展和定制。
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