Adv. Mater.：生物结构的悬浮制造

【引言】

长久以来，研究人员试图使用与细胞外基质(ECM)具有结构相似性的分离细胞和聚合物水凝胶的组合来重现组织结构。现有的凝胶浇铸方法只能实现宏观几何控制。加层制造(ALM)可创造出更复杂的结构，实现对整个结构中的细胞和其它重要组分分布的控制。但软质材料的ALM表现出相对低的复杂性。使用悬浮介质的加层制造，可得到复杂的结构，但无法共沉积多种细胞类型，且由于悬浮介质难以从成品部件中完全去除，将不适于临床使用。

悬浮制造法可制备具有严格形态定义、机械性能和化学性能的复杂软结构。凝胶颗粒之间的强表面相互作用在其紧密接触时形成短程粘连，导致糊状材料变稠。颗粒之间形成的相互作用允许颗粒材料支撑类似密度(或更高)的第二相。由于凝胶颗粒是离散实体，不污染所制造样品的表面。使用颗粒状凝胶作为悬浮剂，以类似于发育中的胎儿在羊水中悬浮的方式支撑样品。这种方法可用于生产复杂的载有细胞的结构。

【成果简介】

近日，英国伯明翰大学Liam M. Grover和英国哈德尔菲斯大学Alan M. Smith (共同通讯作者)等人使用在室温下稳定的自愈合凝胶颗粒(通常称为流体或剪切凝胶)作为“床体”，为整个部件提供支撑。通过胶凝材料分散到支撑流体凝胶颗粒之间的间隙中形成最终结构。实现了相对复杂的结构化，同时提供足够的支撑以防止结构在其自身重量下塌陷。形成的支架结构，可通过温和地施加剪切移除支撑相，同时保持培养物中人原代软骨细胞群的存活力。悬浮制造法可以形成具有仿天然软骨环境的各向异性机械性能的复合水凝胶结构。这些支架可以用于生产骨软骨塞以应对逐年增加的全层软骨缺损疾病。该成果以“Suspended Manufacture of Biological Structures”为题于2017年2月1日发表在期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1：使用悬浮沉积方法制造3D软固体结构示意图

(A) 在容器中产生“流体-凝胶”支撑基质

(B) 将第二相挤入颗粒床中

(C) 可自愈合的流体凝胶，在交联过程中支撑凝胶结构

(D) 一旦交联，可以将物体从颗粒床上移除

(E) 制造装载有羟基磷灰石纳米颗粒的简单螺旋，并使用micro-CT成像

图2：骨软骨缺陷的模拟结构及细胞组织支架的制备

将装载有原代人软骨细胞的冷凝胶基质通过内径为337μm的皮下注射针挤入到“流体-凝胶”结构中，维持整个结构中的细胞活力。针内径的增加导致分辨率降低(中心，顶部)，基质(中心，底部)的粘度降低。从这些实验中得出，为了制造软骨塞，设置流体粘度为0.75Pa s(在1s^-1的剪切速率下)，针直径为337μm。该软骨塞的计算机模型(右栏)由临床医生对钻出缺陷的组织进行CT扫描产生。 所得模型用于制造具有合适的软骨和软骨下厚度的软骨塞以适合组织缺陷。

图3：3D骨软骨缺损模型的机械性能、生物活性及表型研究

(A) 在用刀片切割并使用流变仪进行机械表征之前，对使用悬浮制造法制备的样品进行培养

(B) 构建体的储能模量从结构的核心“骨”区域(区域C和D)到软骨区域(区域A和B)呈现出显著减少的趋势。在天然组织中，储能模量从透明软骨(区域A)通过骨软骨界面(区域B)到软骨下骨(区域C和D)逐渐增加。该力学数据反映了在天然组织中观察到的趋势，这表明，有可能在限定几何形状的同时确定所得结构表现出的机械性能   [注：将构建体切成A、B、C和D四个区域，并在每个部分上进行应力扫描以确定机械强度和弹性]

(C) 应力松弛测量显示加入羟基磷灰石的吉兰糖胶(GG + HAp)会比单一的吉兰糖胶(GG)表现出更快的应力松弛响应   [注：更快地应力松弛响应会更大程度的促进矿化]

(D) 构建体在人组织缺陷内培养4周后除去，回收软骨(CH)、骨界面(IF)和骨区域(OB)内的细胞用于分离RNA，通过定时定量PCR(qRT-PCR)分析mRNA。支架软骨部分的细胞表达出最高水平的胶原II和聚集蛋白聚糖(ACAN)，骨区域表达出更多的胶原IA1。这表明沉积到离散区域的细胞维持生存力且维持其表型

(E) 荧光免疫组织化学(IHC) (DAPI(苯基吲哚)=蓝色，聚集蛋白聚糖=绿色)显示出，在构建体的软骨区域中产生了聚集蛋白聚糖  [注：软骨形成的标志物]

【小结】

通过将凝胶聚合物挤入基于颗粒的支撑基质来制造相对复杂的软固体结构。可实现软固体材料的结构化，使它们在微尺度上表现出不同的化学和物理性质。悬浮制造可以重现由CT扫描定义的骨软骨区域的结构。3D打印的结构在四周培养期内保持其形态和机械稳定性，固定化细胞保持其表型。研究结果表明这种生产3D组织样结构的新方法在再生和研究复杂组织结构及界面等领域具有广阔的发展前景。

文献链接：Suspended Manufacture of Biological Structures (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605594)

本文由材料人生物材料组白皓供稿，材料牛编辑整理。

参与生物材料话题讨论或了解生物材料小组招募详情，请加入材料人生物材料交流群(124806506)。
材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

仪器设备、试剂耗材、材料测试，数据分析，找材料人、上测试谷！