无牺牲材料直写墨水打印可灌注血管化器官模型用于药物开发

Wu et al. | Advanced Functional Materials 2024 | DOI: 10.1002/adfm.202314171

标签: #3D生物打印 #血管化 #器官模型 #药物开发 #SF-DIW #CELLINK #肝转移 #灌注培养

一、做什么（研究背景与目的）

3D 生物打印技术在构建人体器官模型方面展现出巨大潜力，但如何打印出具有血管网络、可灌注的 3D 模型仍是核心挑战。传统方法（如挤出式生物打印、光固化打印）在制造中空通道时，往往需要使用牺牲材料（如 Pluronic、明胶）作为支撑，打印后再去除。这些额外步骤不仅繁琐、耗时，还可能损伤封装的细胞，并阻碍通道内皮化。

本研究开发了一种无牺牲材料直写墨水打印（SF-DIW） 新技术，通过优化生物墨水配方和打印参数，实现了一次性打印复杂中空结构，无需任何牺牲材料。该技术被用于构建肝转移模型，并开发了配套的微泵灌注系统，用于评估抗癌药物活性和前药激活功能。

图1：SF-DIW 原理示意图。与传统 DIW 相比，SF-DIW 无需额外打印头打印牺牲材料，显著简化了制造流程，打印后可直接进行内皮化和灌注。

二、发现什么（核心结果）

1. SF-DIW 打印能力验证

研究者系统探索了 SF-DIW 打印中空结构的能力极限。通过有限元分析和实验验证，发现优化后的生物墨水（2.5% GelMA + 1.5% gelatin + 2% sodium alginate + 50 mM CaSO4）在 22°C 下具有优异的自支撑和悬垂能力。

图2：SF-DIW 打印中空结构能力探索。展示了不同悬垂角度（0°-60°）、跨越间隙（0.5-5mm）、各种内径通道和复杂分支结构的成功打印。

「做了什么」：设计并打印了不同悬垂角度（0°、15°、30°、45°、60°）的测试模型，以及倒锥形结构（0°-90°连续变化）和跨越不同间隙（0.5-5mm）的悬空丝线。
「发现什么」：悬垂角度≤45° 时结构完整，60° 时出现轻微塌陷；跨越间隙<2mm 时悬空丝线保持完整；可成功打印 0.5-5mm 内径的垂直和水平中空通道。
「说明什么」：SF-DIW 技术能够在无需牺牲材料的情况下，稳定打印具有复杂通道网络的 3D 结构，为可灌注器官模型的制造提供了技术基础。

2. 多种可灌注模型的成功构建

基于 SF-DIW 技术，研究者成功打印了多种具有不同通道几何形状的可灌注模型，包括单弯曲通道、分支通道、仿生血管结构和螺旋通道等。

图3：SF-DIW 打印的可灌注模型。展示了不同通道几何形状、双材料复合打印、微型化模型（84 μL，可直接打印到 24 孔板中）以及灌注后通道完整性验证。

「做了什么」：打印了单弯曲通道、分支通道、仿生血管网络、螺旋通道等多种几何形状的可灌注模型，并测试了双打印头复合打印和微型化打印（12mm×5mm×2.2mm，体积仅 84 μL）。
「发现什么」：所有模型均成功打印且通道连通；微型模型可直接打印到 24 孔板中，实现高通量筛选；灌注 24 小时后通道仍保持完整，无塌陷。
「说明什么」：SF-DIW 技术具有高度的结构灵活性，可适应不同实验需求，且打印后可直接进行灌注，无需后处理步骤。

3. 血管化肝脏模型的生物学性能

研究者将 HUVEC 内皮细胞接种到打印模型的通道中，构建了血管化肝脏模型，并在灌注条件下培养了 1 个月。

图4：血管化肝脏模型的内皮化和生物学性能验证。灌注培养显著提高了内皮细胞存活率和肝细胞功能（白蛋白表达）。

「做了什么」：将 HUVEC 细胞悬液注入通道，通过双向旋转实现通道内壁均匀涂覆。比较了静态培养和灌注培养条件下细胞存活率和肝功能指标（白蛋白表达、HNF4α 基因表达）。
「发现什么」：静态培养 7 天后 HUVEC 几乎全部死亡，而灌注培养条件下细胞保持高存活率；灌注培养 1 个月后，肝细胞白蛋白表达量约为静态培养的 2 倍（p<0.01），HNF4α 基因表达也显著上调。
「说明什么」：动态灌注条件更接近体内生理环境，能显著改善细胞存活率和组织功能，验证了该模型在长期培养和药物测试中的优势。

4. 肝转移模型与药物测试

研究者构建了包含 HepaRG 肝细胞基质和 NB-1 神经母细胞瘤的肝转移模型，用于评估药物递送效率和抗癌药物活性。

图5：SF-DIW 构建的肝转移模型。展示了打印过程、药物递送效率对比（灌注 vs 静态）、Ceritinib 抗癌治疗以及前药激活验证。

「做了什么」：用 SF-DIW 打印 HepaRG 细胞基质，中心腔体用喷墨打印技术填充 NB-1 神经母细胞瘤细胞。比较了 Hoechst 模型药物在静态和灌注条件下的递送效率，并用 Ceritinib 进行抗癌治疗测试。
「发现什么」：灌注条件下药物递送效率接近 100%，静态培养仅约 50%；Ceritinib 处理后，肿瘤区域细胞活力显著降低，而周围肝细胞保持存活；肿瘤球体在灌注条件下可长期生长（30 天），静态条件下逐渐萎缩。
「说明什么」：灌注模型能更准确地模拟体内药物递送过程，为抗癌药物筛选提供了更可靠的体外平台。

5. 前药激活功能验证

研究者用 MCF-7 乳腺癌球体构建了肝转移模型，验证了肝脏模型对前药 Ifosfamide 的激活能力。

「做了什么」：用利福平诱导 CYP3A4 酶表达后，加入前药 Ifosfamide，观察 MCF-7 肿瘤球体的生长变化。
「发现什么」：单独使用 Ifosfamide 对肿瘤生长影响不显著；经利福平诱导 CYP3A4 后，Ifosfamide 处理使肿瘤球体生长减少约 50%（p<0.001）。
「说明什么」：该模型能够模拟肝脏对前药的代谢激活过程，可用于评估前药类抗癌药物的疗效。

三、说明什么（研究意义）

本研究开发的 SF-DIW 技术为 3D 生物打印领域带来重要突破：

1. 技术简化：无需牺牲材料，打印后可直接进行内皮化和灌注，大幅缩短了实验周期
2. 结构灵活：可打印各种复杂通道几何形状，包括分支血管网络
3. 生理相关性强：灌注培养的肝脏模型在肝功能指标上显著优于静态培养
4. 药物测试平台：成功验证了药物递送、抗癌治疗和前药激活功能，为药物开发提供了可靠的体外模型

该技术与 CELLINK 生物打印平台高度兼容（论文中使用了 CELLINK BioX 进行验证），可直接应用于 CELLINK 用户的血管化组织构建和药物筛选实验。

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📄 Wu_2024_AdvFunctMater_Perfusable_Vascularized_Organ_Models.pdf

参考文献

1. Wu D, Pang S, Berg J, et al. Bioprinting of Perfusable Vascularized Organ Models for Drug Development via Sacrificial-Free Direct Ink Writing. Adv Funct Mater. 2024;34:2314171. DOI: 10.1002/adfm.202314171.

转发语：3D生物打印血管化组织不再需要牺牲材料！一步成型、直接灌注，药物筛选更准更快。

联系人：李东伟
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