供稿人：颜湛、王富 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术国家重点实验室 发布日期：2024-11-12
ECM基水凝胶富含对细胞粘附和成熟有帮助的生物活性分子，这些分子可以促进细胞与支架材料的相互作用。具有良好的细胞相容性，能够支持不同类型的细胞在支架上的生长和增殖。能够提供三维结构，为细胞提供更接近于自然细胞微环境的条件，有利于细胞的形态和功能表达。最近，一篇为名《Post-Maturation Reinforcement of 3D-Printed Vascularized Cardiac Tissues》的文章提出了一种以完全生物相容性的方式增强由分化的诱导多能干细胞（iPSC）和基于细胞外基质（ECM）的水凝胶制成的工程心脏组织的方法。增强是作为制造后步骤进行的，它允许使用3D打印技术来生成厚的，完全细胞化和血管化的心脏组织。在组织组装后和在软水凝胶中的成熟过程中，部署一种小型的组织穿透增强剂，从而显着提高组织的机械性能。通过在模拟微创程序中注射组织并显示组织在纳米、微观和宏观尺度上功能正常且未受损，可以证明组织的稳健性。
如下图1所示，在组织组装后和成熟过程中，在生长培养基中加入一个小的增强生物分子，可以使其深入到整个工程结构中，并从内部显着安全地增加组织的强度。
图1 可部署的挤出生物打印
将SOx作为打印后和组织组装后的增强剂添加到组织生长培养基中将使细胞有时间在软水凝胶内形成细胞-细胞和细胞-基质相互作用（图2a）。由细胞活力测试表明，在浓度低于0.1%时，SOx的存在对细胞活力没有影响（图2c）。因此，在评估SOx增强对水凝胶机械性能的影响时，作者使用了低于该阈值的浓度。ECM-水凝胶中存在的46%±11%的胺与SOx反应（图2f）。并且高分辨率成像显示，SOx的增强在不改变内部形态的情况下进行（图2g，h）。说明在交联之前和之后计算网格中孔的大小，并且在样品之间没有观察到差异。
图2 增强水凝胶
为了设计出具有临床相关性的心脏贴片，该贴片必须包含高水平的血管化。因此，通过有限元分析评估潜在的血管结构，以确保打印的血管能够为组织中的所有细胞提供足够的氧气。然后是打印设计的心脏组织（图3b）。血管腔是通过在明胶浆液中打印EC而产生的。生产微粒浆料，以便明胶可以在室温下打印，以匹配打印ECM生物墨水所需的条件。打印后立即评估细胞的整体定位，以确保CM填充实质，而内皮细胞定位到血管（图3c）。此外，还评估了组织的功能。在收缩组织中测量钙瞬变，并在整个贴片中跟踪单个脉冲，以确保完整的CM网络（图3f）。收缩的同步性表明高度的相互联系和组织组织。
图3 强化工程组织
如图4a，模拟他们在微创手术中可能面临的条件。通过SEM对注射组织的纳米结构进行成像。尽管组织在注射过程中承受了应力，但组织ECM的纤维网络被证明具有足够的弹性，并且注射后ECM的纳米结构没有变化（图4b，c）。相比之下，未添加SOx的打印心脏组织在注射过程中被物理撕裂。评估注射后的组织功能。注射后，心脏组织立即停止跳动。30分钟后已经可以观察到自发收缩。在三小时内完全恢复，此时自发收缩恢复到注射前的水平（图4g）。
图4 注射增强的工程组织