基于自组装纳米纤维素纤维平台的微型组织三维生物打印
Syeda M. Bakht, Manuel Gomez-Florit, Tara Lamers, Rui L. Reis, Rui M. A. Domingues, Manuela E. Gomes | Advanced Functional Materials 2021 | DOI: 10.1002/adfm.202104245
标签: #三维生物打印 #类器官芯片 #纳米纤维素水凝胶 #微生理系统 #组织工程
一、做什么 🔬
研究背景：传统器官芯片依赖PDMS或PMMA等刚性塑料微流控通道，无法复现天然细胞外基质（ECM）的纳米级纤维拓扑结构与动态区室化屏障。现有微生理系统制造流程繁琐、自动化程度低、通量受限，且固定几何腔室难以适配不同组织的生理形态，导致体外模型与体内真实微环境存在显著偏差。
核心问题：
- 能否利用植物源纳米纤维素晶体（CNC）的自组装特性构建兼具打印支撑与ECM仿生功能的流体凝胶？
- CNC基质能否在“打印-锁定”一体化过程中维持高透光率并支持多细胞区室化分布？
- 该纳米纤维网络能否精准调控大分子渗透速率并维持长期动态灌注培养的结构稳定性？
研究模型：人脂肪间充质干细胞（hASCs）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）及肿瘤细胞，结合GelTG与明胶（PL）生物墨水，在CNC流体凝胶浴中构建3D微生理系统。
技术路线：
- CNC流体凝胶配制：调控植物源CNC胶体悬浮液的剪切稀化流变特性，作为悬浮打印的临时支撑介质。
- 悬浮浴三维挤出：在CNC流体凝胶中直接打印多材料生物墨水，构建任意几何形状的细胞负载结构。
- 钙离子诱导自组装锁定：加入生物相容性Ca²⁺屏蔽CNC表面电荷，触发纳米颗粒自组装形成透明纳米纤维水凝胶基质。
- 多材料动态灌注集成：结合硅胶密封圈与金属空心针构建微流控回路，实现原位内皮化与长期动态培养。
二、发现什么 📊
核心发现1：CNC流体凝胶支撑浴的“打印-锁定”机制与高透光性
图1：CNC悬浮液在Ca²⁺诱导下10分钟内完成自组装，储能模量（G'）从~50 Pa跃升至~800 Pa，透光率稳定在92%以上。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 配制不同浓度CNC胶体悬浮液，测试剪切速率（1-100 s⁻¹）下的粘度变化；在悬浮浴中挤出GelTG与PL生物墨水构建网格结构，随后滴加CaCl₂溶液触发基质固化，通过流变仪与倒置显微镜记录模量演变与光学特性。 |
| 发现什么 | CNC悬浮液在剪切速率>10 s⁻¹时粘度骤降至<100 Pa·s，挤出后30秒内结构恢复率达85%；Ca²⁺交联后G'稳定在~800 Pa，透光率>92%，支持40倍物镜下清晰观察细胞骨架分布。 |
| 说明什么 | CNC流体凝胶兼具打印时的低挤出阻力与打印后的高结构刚性，钙离子交联过程不产生细胞毒性，解决了传统支撑浴不透明或需二次清洗破坏微结构的工艺瓶颈。 |
核心发现2：仿生纤维基质的分子级渗透筛选与任意几何高保真成型
图2：4 kDa荧光葡聚糖60分钟内扩散距离达1.2 mm，250 kDa大分子扩散被限制在0.3 mm以内；复杂结构打印保真度>95%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在固化CNC基质中打印中空通道，分别注入4 kDa与250 kDa荧光葡聚糖，通过时间序列成像记录60分钟内的空间扩散轨迹；同步打印15 mm高螺旋体、25层微型肾脏（层高200 µm，65%同心填充）及翼缘厚度0.5-1.5 mm的蝴蝶模型。 |
| 发现什么 | 4 kDa分子在60 min内均匀渗透至基质深处（荧光强度衰减<15%），250 kDa分子渗透深度仅0.3 mm（通道边缘荧光强度下降80%）；微型肾脏与蝴蝶结构尺寸误差<5%，层间融合完整无塌陷。 |
| 说明什么 | CNC自组装纤维网络具备天然ECM的分子筛效应，可精准调控营养物与信号分子的跨区室传输，同时验证了该平台在微尺度复杂器官形态构建中的几何自由度与亚毫米级分辨率。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统微生理系统受限于平面化微加工与刚性塑料腔室，难以复现组织的三维纤维拓扑与动态物质交换。该研究将植物源CNC自组装与悬浮打印结合，首次实现“支撑浴即培养基质”的一体化制造，将芯片构建从“微加工组装”转向“直接生物制造”，确立了纳米纤维水凝胶作为下一代高通量芯片基质的可行性。
临床/转化价值：
- 高通量组织芯片阵列：支持在标准多孔板内5分钟内打印12个10×10×0.4 mm独立微组织，大幅降低药物筛选的样本制备成本。
- 血管化肿瘤模型：原位内皮化灌注通道可模拟肿瘤微环境中的血流剪切力与免疫细胞浸润路径，提升抗肿瘤药物体外预测准确率。
- 个性化再生医学支架：任意几何成型能力适配患者特异性缺损修复，纤维基质降解产物无毒且可被宿主细胞逐步重塑。
与我们产品的关联：悬浮打印与多材料挤出高度依赖高精度温控挤出头与悬浮浴模块；长期动态培养与实时成像需要兼容透明水凝胶的活细胞工作站与高内涵成像系统。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 核心工具。论文采用悬浮浴打印与多材料挤出构建复杂几何结构，BIO X6的独立温控挤出头与专用悬浮浴模块可直接复现该“打印-锁定”工艺，实现CNC流体凝胶与生物墨水的精准协同。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 潜在应用。CNC基质透明且支持长期培养，若结合MEA电极阵列可实时监测打印心肌/神经网络的电生理信号，但需客户自行优化电极-水凝胶界面阻抗。 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 配套使用。论文强调长期动态灌注与微环境控制，Celvivo的无泵微流控培养系统可无缝对接该芯片，提供稳定的重力驱动或低剪切力灌注，维持血管通道内皮完整性。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐⭐ | 配套使用。CNC纤维基质的高透光率与标准孔板兼容特性，使SIEVEWELL的高内涵成像系统可直接对嵌入组织进行3D层扫与定量分析，无需转移样本或二次染色。 |
参考文献
- Hinton TJ, Jallerat Q, Palchesko RN, et al. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances. 2015. DOI: 10.1126/sciadv.1500758
- Zhang YS, Yue K, Aleman J, et al. 3D bioprinting for engineering complex tissues. Biotechnology Advances. 2016. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2016.06.002
- Gorgieva S, Kogej K. Cellulose nanocrystals as building blocks for biomimetic hydrogels. Carbohydrate Polymers. 2020. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.116123
- Skardal A, Devarasetty M, Forsythe S, et al. A reduced complexity whole body approach to evaluating drug toxicity. Biomaterials. 2014. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2014.04.015
转发语：植物源纳米纤维素自组装成透明纤维基质，直接当支撑浴打印任意形状微组织，60分钟搞定分子级渗透筛选，器官芯片制造从此告别繁琐微加工。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Advanced Functional Materials 2021 3D Bioprinting Miniaturized Tissues