无牺牲材料直写墨水3D打印可灌注血管化类器官模型用于药物开发
Dongwei Wu et al. | Advanced Functional Materials 2024 | DOI: 10.1002/adfm.202314171
标签: #3D生物打印 #血管化类器官 #器官芯片 #药物筛选 #Cellink
一、做什么 🔬
核心科学问题
在3D生物打印复杂的血管网络时，通常需要“牺牲性墨水”（Sacrificial Ink）来支撑悬空结构或预留通道，打印完成后再将其去除。这种方法不仅步骤繁琐、耗时长，而且去除过程可能对周围的生物组织造成损伤。如何不使用牺牲材料就能直接打印出复杂的空心血管通道，是构建高保真器官模型的关键瓶颈。
实验设计
研究团队开发了一种**无牺牲材料直写墨水（Sacrificial-Free Direct Ink Writing, SF-DIW）**技术：
- 墨水配方：利用明胶基水凝胶（GelMA）的热响应特性，通过精确控制打印温度（16-20°C），使墨水在挤出后能迅速“自支撑”，从而实现悬空打印和“架桥”效应。
- 结构构建：在单一墨水下，成功打印了具有复杂分支、不同内径（0.5-5mm）以及可变管径的空心通道。
- 功能验证：
- 血管化：在通道内接种 HUVEC（人脐静脉内皮细胞），在灌注条件下形成内皮化层。
- 肝组织模型：结合旋转培养（模拟灌注），显著提升了肝细胞的白蛋白（Albumin）分泌功能。
- 肿瘤药物筛选：构建了包含肿瘤区域的微流控芯片，利用灌注系统进行 Ceritinib 药物测试，证明了该系统在长周期药物评估中的优势。
为什么值得读
- 工艺突破：省去了“牺牲材料”步骤，将打印效率大幅提升，且避免了化学去除剂对细胞的毒性。
- 应用导向：不仅停留在打印结构，更展示了其在“肿瘤-血管”微环境模型及药物筛选中的实际应用价值。
二、发现什么 📊
图1：工作流程对比。上方为传统方法（需要牺牲墨水，耗时）；下方为新方法（SF-DIW，无牺牲步骤，快速成型）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对比了传统牺牲材料法与 SF-DIW 方法。 |
| 发现什么 | 新方法省去了填充和去除牺牲材料的步骤，打印时间显著缩短，且避免了化学残留风险。 |
| 说明什么 | 简化了生物打印流程，提高了安全性，为复杂血管网络的快速构建提供了新路径。 |
图1→图2的逻辑：要实现无牺牲打印，墨水本身的物理性质（流变性）必须极其精准。
图2：墨水表征。a,b) 储能模量随温度变化；c) 不同温度下的打印网格保真度；d) 细胞活力；g,h) UV交联时间与模量/细胞活力的关系。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 测试 GelMA 墨水在不同温度下的储能模量，并优化打印温度窗口（16-20°C）。 |
| 发现什么 | 在 16-20°C 下，墨水具有极佳的“剪切稀化”和“快速恢复”特性，打印出的网格结构清晰，且细胞存活率 >90%。 |
| 说明什么 | 确定了最佳打印温度窗口，这是实现“自支撑”悬空打印的基础。 |
图2→图3的逻辑：墨水没问题了，接下来验证它到底能打印出多复杂的结构。
图3：结构能力。a-c) 悬空角度测试；d-f) 架桥能力测试（跨越0.5-5mm）；g-j) 空心管及分支网络。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 打印了不同角度悬空、不同跨度架桥以及多分支的血管网络模型。 |
| 发现什么 | 墨水能成功支撑 45° 以内的悬空结构，并能实现 5mm 的无塌陷架桥。成功打印了从 0.5mm 到 5mm 不同内径的空心通道及 Y 型、十字型分支。 |
| 说明什么 | 证明了该技术在构建高度仿生血管网络方面的巨大潜力，突破了传统 DIW 技术的几何限制。 |
图3→图4的逻辑：结构搭好了，细胞在里面长得好不好？能不能形成功能性组织？
图4：生物学功能。d) 旋转培养防止细胞沉降；e,f) 灌注 vs 静态培养下的内皮化；h-k) 灌注条件下肝细胞白蛋白表达显著提升。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在通道内接种 HUVEC 和肝细胞，对比静态（Submerged）与旋转灌注（Perfused）培养的效果。 |
| 发现什么 | 旋转灌注有效防止了细胞沉降，促进了 HUVEC 形成管状结构。更重要的是，灌注组的白蛋白（Albumin）表达量显著高于静态组（约 2 倍），HNF4a 基因表达也大幅上调。 |
| 说明什么 | 动态灌注对于维持组织功能（尤其是肝脏代谢功能）至关重要，3D 打印的通道成功模拟了血管的滋养作用。 |
图4→图5的逻辑：组织功能验证完了，这个模型能不能用来做药物筛选？
图5：药物测试。a) 芯片设计；c,d) 灌注递送效率；f) Ceritinib 药物处理后的肿瘤变化；g-j) 灌注 vs 静态下的肿瘤生长与存活。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 构建了包含肿瘤区域的微流控芯片，使用 Ceritinib 进行药物处理，并监测肿瘤存活率。 |
| 发现什么 | 灌注系统的药物递送效率远高于静态浸泡。在灌注条件下，肿瘤球体在 30 天内保持健康，而静态组逐渐凋亡。Ceritinib 处理显著抑制了肿瘤生长。 |
| 说明什么 | 该 SF-DIW 打印的器官芯片模型能够真实模拟体内的药物递送过程，是极具潜力的高通量药物筛选平台。 |
三、说明什么 💡
1. 结论与意义
- 效率与安全双赢：SF-DIW 技术省去了牺牲材料步骤，既提高了打印速度，又消除了化学残留对细胞的潜在毒性。
- 高保真血管化：成功实现了多分支、变管径的空心通道打印，并能在其中形成功能性的内皮层。
- 药物筛选新标准：证明了“灌注”是药物筛选的关键——静态培养无法模拟真实的药物代谢和递送，容易导致假阴性/假阳性结果。
2. 与我们的产品关联 💰
| 产品 | 关联度 | 应用场景与话术建议 |
|---|---|---|
| CELLINK BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 核心工具：本文即使用挤出式生物打印机（DIW）完成。 话术：“这篇 AFM 19分的文章展示了如何不用牺牲材料就能打印出复杂的血管网络。BIO X6 的温控模块（16-20°C）能完美复现这种‘自支撑’打印，帮您大幅简化类器官构建流程。” |
| 3Brain MEA | ⭐⭐⭐ | 功能验证互补：本文侧重于形态和分子验证（Albumin, Western Blot）。3Brain 可提供实时电生理监测，特别是如果客户做心脏或神经类器官，MEA 能补充功能数据。 话术：“除了看形态和分子表达，如果您还想实时监测类器官的电生理活动，3Brain 是最佳搭档。” |
3. 转发语
Adv Funct Mater (IF 19)：告别牺牲材料！3D打印实现复杂血管网络“无牺牲”直写，灌注培养让肝细胞功能翻倍。细胞/药物筛选的新利器！🧬🧪
参考文献
- Wu D, et al. Bioprinting of Perfusable Vascularized Organ Models... Adv Funct Mater. 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314171
- Murphy SV, et al. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol. 2014. DOI: 10.1038/nbt.2958
- Zhang YS, et al. 3D Bioprinting for Artificial Organs. Nat Protoc. 2017. DOI: 10.1038/nprot.2016.145
联系人：李东伟
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