哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang课题组联合上海交大-仁济医院合作发表3D生物打印精准构建复层空腔组织的最新研究

生物打印以其快速、精准、个性化等优点在组织构建中逐渐展现优势。相对于实体组织打印，复杂空腔组织的打印构建，对于可打印水凝胶材料生物相容性、力学强度、打印可塑性等特性的要求更加严格。对于空腔组织或器官的不同亚层结构，如何准确构建、打印管腔结构以及如何维持中空管道功能等问题，尚面临诸多挑战。

上海交通大学皮庆猛博士在哈佛博士后工作期间， 在哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授指导下，与同事一起自行设计了一种新型同轴多通道生物打印系统（MCCES）（如图1），以实现空腔组织或器官不同亚层结构的构建。实验证实，将优化的复合水凝胶复合细胞后，可以借助这一新型打印系统实现一次性同步区分打印不同亚层结构，满足不影响细胞活力的前提下，增强管腔结构一定的力学强度，并精准同步打印具有2层（或2层以上）亚层结构的空腔组织。这项研究为体外构建复杂空腔组织或器官提供了新的方法，也得到国际同行的认可，该项工作日前正式发表在国际生物材料领域顶级期刊Advanced Materials（最新影响因子21.95）。

图1.同轴多通道生物打印系统快速构建空腔管状结构。（图片来自Advanced Materials）

研究者自行研制新型的同轴多通道打印系统，分别同步构建内、外亚层结构，实现了准确构建不同亚层的设想（如图2）。采用Alginate+GelMA+PEGOA混合水凝胶，利用钙离子交联、联合光敏交联固化的方法，增加打印过程中的复层管型结构的可塑性。研究证实，打印后空腔结构具有良好的灌注功能。

图2.打印空腔管状结构水平面及横断面镜下观。（图片来自Advanced Materials）

图3.单层双层空腔管状结构可调节性。（图片来自Advanced Materials）

通过控制系统实现，单层结构、双层结构在同一根管腔结构反复切换的设想（如图3）。将血管细胞（内皮细胞、平滑肌细胞）、尿道细胞（上皮细胞、平滑肌细胞）分别与复合水凝胶混合后，利用MCCES打印复层管腔组织，体外培养发现，细胞活力在80%以上，细胞在水凝胶支架材料上可以充分铺展生长，表达血管内皮细胞（CD31/VE-Cadherin)和血管平滑肌细胞（SMA）等特异标志物。

该项工作首次采用自行研发的同轴多通道生物打印系统（MCCES）可调控性构建复杂空腔组织设计理念，实现了不同亚层结构一次性同步准确构建的设想。实验证实血管、尿道等空腔组织可以通过该新型设计系统，快速构建含有不同功能细胞的复层空腔结构。该研究系统有望用于实现复杂空腔组织或器官的精准构建，体外血管、肠道、泌尿系统等空腔脏器疾病模型模拟、药物筛选、组织移植替代物等诸多领域。

该工作日前发表于生物材料领域顶级期刊Advanced Materials, 由哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang课题组完成。加州大学洛杉矶分校Ali Khademhoseini教授为共同通讯作者。论文第一作者为哈佛大学博士后皮庆猛博士，来自上海交通大学医学院附属仁济医院整形外科。共同作者还包括哈佛大学博士后Sushila博士, 南京大学燕翔博士，及北京航空航天大学刘肖博士。

论文链接：

Qingmeng Pi, Sushila Maharjan, Xiang Yan, Xiao Liu, Bijay Singh, Anne Metje van Genderen, Felipe Robledo-Padilla, Roberto Parra-Saldivar, Ning Hu, Weitao Jia, Changliang Xu, Jian Kang, Shabir Hassan, Haibo Cheng, Xu Hou, Ali Khademhosseini, Yu Shrike Zhang. Digitally Tunable Microflidic Bioprinting of Multilayered Cannular Tissues. Advanced Materials 2018 August 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201706913

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