基于人诱导多能干细胞来源心肌细胞的功能性心肌组织直接3D打印构建

时间：2023-11-02 09:33 来源：生物打印与再生工程作者：admin 阅读：次

       生物制造的一个目标是通过设计组织、器官或它们的一部分来研究或治疗治疗方法有限的疾病，如终末期器官衰竭。但是当前传统生物制造方法具有细胞难定殖，不能生成有层次的结构等局限性。鉴于目前生物制造的局限性，特别是在心脏组织工程领域，需要开发一种方法，利用生物3D打印将人体诱导多功能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）直接打印到功能性心脏组织中。然而，直接打印活细胞已被证明是困难的。
       来自德国埃尔朗根大学的T.U. Esser团队于2023年9月在ADVANCED MATERIALS发表了一篇名为《Direct 3D-Bioprinting of hiPSC-derived Cardiomyocytes to Generate Functional Cardiac Tissues》的文章，文中提出了一种直接3D生物打印人类诱导多能干细胞(hiPSC)来源的心肌细胞的方法——在胶原透明质酸墨水中，以准确和可重复的方式打印厘米大小的功能性环形和心室形状的心脏组织。打印的组织含有hiPSC衍生的心肌细胞，具有组织良好的肌体，并表现出自发和规律的，持久的收缩，而且能够抵抗被动受力。打印心脏组织的跳动频率可以通过药物刺激来调节。这种方法为产生复杂的功能心脏组织提供了新的可能性：可以用于制造高级药物筛选的模型，也可以用于器官修复或替换的组织移植。
实验结果与讨论
一、悬浮支撑浴的制备
       凝胶内悬浮打印需要一个支撑浴。支撑浴一方面提供足够的稳定性来保持打印液体墨水的形状，另一方面能够使打印喷嘴通过。为了将hiPSC衍生的心肌细胞(hiPSC-CMs)打印成复杂的形状，该团队开发了一种简单的三步双组分方案，通过复杂凝聚生产明胶/阿拉伯胶微粒。微颗粒以圆形为主，(直径69±27 μm，图1b,c)。通过离心压实后，微粒形成了具有自愈特性的支撑浴，允许打印喷嘴自由通过。即使容器被倒置，打印到支撑浴中的食用染料也能保持在原位(图1d)。
     在测试频率范围内，支撑浴显示出固体状行为以及剪切稀化行为(图1f)。此外，在交替剪切速率下，支撑浴表现出近乎瞬时和完全的恢复行为(图1g)。

图1 压实后的微颗粒表现出剪切变薄和自愈的特性

二、胶原蛋白/透明质酸生物墨水能够精确和重现复杂结构的打印

为了评估胶原蛋白在上述支撑浴中的可打印性，该团队用不同浓度的胶原墨水打印脱细胞环状结构(图2a)。此外，透明质酸(HA)（一种糖胺聚糖），被添加到胶原蛋白中，以改善生物墨水的可打印性。为了评估印刷环的均匀性和印刷过程的再现性，用多个印刷环的图像生成重叠图(图2a)。

随着胶原蛋白含量的增加，重叠图显示出更均匀的印刷环，边界更光滑，其中用4.0mg/ml胶原蛋白原液制成的油墨可重复性更好(图2a)。HA明显改善了≥2.0 mg/ml胶原打印环的均匀性 (图2b)。随着胶原和透明质酸浓度的增加，强度谱显示出更小的差异。该团队最终选择了由3.0 mg/ml胶原- i和3.0 mg/ml HA (CollHA3-3)组成的生物链进行进一步的研究，因为其在实际测试中，提供了最高的再现性以及对挤出速度的最佳控制，且打印出的环的壁厚较薄。

为了检验打印过程的准确性，该团队打印了不同的几何形状(环形、网格和星形)。打印结构具有明确的尖锐边缘，可以准确地再现底层3D模型(图2c)。交替使用对比剂和不使用对比剂(同心圆或堆叠矩形)打印CollHA3-3，可以得到连续稳定的结构，表明两种油墨在跨层融合(图2d)。

图2 胶原蛋白/透明质酸油墨使打印结构稳定

(责任编辑：admin)

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