供稿人:陈鹏宇，贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-06-05
体外构建特定器官的高细胞密度组织在生物医疗等领域有重要的意义，但其制造一直是生物3D打印领域的一大难点。近日，来自哈佛大学的研究团队结合目前最新的嵌入式3D打印技术，制造出具有血管网络的、具有特定器官功能的高细胞密度体外组织。
图1 制造工艺示意图
嵌入式打印最大的特定就是在特定支撑浴中打印各种复杂结构，该方法适用的生物材料种类多，应用广泛，该研究团队开创性的将细胞作为支撑材料。如图1所示，通过将人多能干细胞（iPSC）在具有特定形貌的培养皿表明进行培养扩展，形成大量的器官构建单元（OBBs），将大量细胞微团离心收集之后，加入Ⅰ型胶原或者基质胶Matrigel等细胞外基质材料，形成了类似嵌入式打印中常用的颗粒胶支撑浴，这种细胞微球支撑浴具有自愈合的特点，当针头划过后迅速愈合，填满所造成的裂缝，支撑浴能够保持住所打印的复杂结构。使用明胶作为牺牲墨水在细胞微团中打印出血管结构，打印完毕后升温到37℃，整个组织交联，而明胶由于温度上升液化，形成中空的血管网络。
图2 使用该工艺制造的血管化心肌组织
为了验证该工艺的优势，该研究团队尝试体外构建了血管化心肌组织。首先，通过上述工艺制造了含有心肌细胞、基质细胞以及成纤维细胞的器官构建单元，在进行压缩以后，总细胞密度能够达到240,000,000个/毫升，这些器官构建单元在体外培养1天时呈现出异步跳动，但当培养时间到7天时，心肌细胞跳动呈现出同步性。紧接着，研究者们在这些器官构建单元中打印了可灌流的分支血管结构，在8天培养周期中，心肌细胞跳动幅度逐渐增加，并且在添加钙离子后跳动幅度已经同步性都有显著增加。