融合3D生物打印与光子计数CT实现组织工程支架无创定量追踪
Carmen J. Gil, Connor J. Evans, Lan Li, Alex J. Allphin, Martin L. Tomov, Linqi Jin, Merlyn Vargas, Boeun Hwang, Jing Wang, Victor Putaturo, Gabriella Kabboul, Anjum S. Alam, Roshni K. Nandwani, Yuxiao Wu, Asif Sushmit, Travis Fulton, Ming Shen, Jarred M. Kaiser, Liqun Ning, Remi Veneziano, Nick Willet, Ge Wang, Hicham Drissi, Eric R. Weeks, Holly D. Bauser-Heaton, Cristian T. Badea, Ryan K. Roeder, Vahid Serpooshan | Advanced Healthcare Materials 2023 | 10.1002/adhm.202302271
标签: #多材料生物打印 #光子计数CT #造影剂纳米颗粒 #组织工程支架 #无创定量成像
一、做什么 🔬
研究背景：组织工程支架在再生医学与体外疾病建模中应用广泛，但植入体内后缺乏无创、定量的纵向监测手段。传统成像技术存在明显局限：MRI扫描耗时且对水凝胶对比度低；PET/SPECT空间分辨率不足且无法提供结构信息；常规CT仅能输出单一灰度衰减值，无法区分多材料支架内部的组分分布。临床转化亟需一种能够实时、精准追踪支架降解、位置迁移与功能演变的成像平台。
核心问题：
- 能否在挤出式生物打印水凝胶中稳定负载多种CT造影剂，并维持高结构保真度与力学性能？
- 光谱光子计数CT（PCCT）能否突破单能CT限制，实现多材料空间分布的独立定量与三维重建？
- 该多模态追踪平台在活体组织背景下是否具备长期无创监测的可行性与定量准确性？
研究模型：体外多材料GelMA水凝胶支架打印体系 + C57BL/6小鼠皮下植入模型
技术路线：
- 多材料生物墨水配制：将碘、钆、碘脂质体、金纳米粒、甲基丙烯酰化金（AuMA）与氧化钆（Gd2O3）分别掺入GelMA基质，筛选高X射线衰减与流变适配的配方
- 打印保真度与力学表征：挤出打印同心圆、血管树等复杂几何构型，测量尺寸偏差率与压缩模量
- 体外释放与生物相容性评估：14天PBS缓冲液释放动力学测试 + L929/HUVEC细胞共培养72小时CCK-8存活率测定
- 光谱PCCT体外成像：利用多能谱分解算法生成Au与Gd独立浓度热力图，进行2D/3D尺寸与体积保真度量化
- 小鼠皮下植入验证：双侧植入负载造影剂支架与空白对照，死后PCCT扫描验证活体背景下的定量追踪能力
二、发现什么 📊
核心发现1：纳米级造影剂显著提升水凝胶X射线衰减特性并满足打印流变要求
图1：六种造影剂负载水凝胶的X射线衰减系数对比，AuMA与Gd2O3组在30 mg/mL浓度下衰减系数分别达1850 ± 120 HU与1720 ± 95 HU，显著高于分子造影剂组的650 ± 40 HU。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 配制6种含不同造影剂（碘、钆、碘脂质体、Au NPs、AuMA、Gd2O3）的GelMA生物墨水，测定其在30 mg/mL负载量下的X射线线性衰减系数与剪切稀化流变曲线 |
| 发现什么 | AuMA与Gd2O3纳米颗粒使水凝胶衰减系数提升至1850 ± 120 HU与1720 ± 95 HU，较分子造影剂组提高2.8倍（p<0.001）；储能模量G'稳定在1.2-1.5 kPa，满足挤出打印剪切应力阈值 |
| 说明什么 | 纳米级造影剂通过高原子序数与表面修饰实现强X射线散射，同时不破坏水凝胶网络交联，为后续多材料高精度打印提供物理与流变学基础 |
核心发现2：AuMA与Gd2O3墨水在复杂几何打印中保持高结构保真度与增强力学强度
图2：挤出打印支架的尺寸偏差率与压缩模量数据，AuMA组外径偏差仅1.00 ± 0.03，压缩模量达12.4 ± 1.1 kPa，较纯GelMA对照组提升72%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用双喷头挤出打印机制造ConC、RinC、VasC及GT Logo四种构型支架，游标卡尺与微CT测量实际尺寸与CAD设计偏差，万能材料试验机测定压缩模量 |
| 发现什么 | AuMA组外径测量比值1.00 ± 0.03，Gd2O3组内径比值0.92 ± 0.03；AuMA组压缩模量12.4 ± 1.1 kPa，Gd2O3组10.8 ± 0.9 kPa，均显著高于未负载对照组（7.2 ± 0.6 kPa，p<0.01） |
| 说明什么 | 纳米颗粒在光交联过程中充当物理交联点，补偿了挤出过程中的材料流失，使支架在保持毫米级结构精度的同时获得接近天然软组织的力学支撑力 |
核心发现3：造影剂锚定网络实现低突释与优异细胞相容性
图3：14天体外累积释放曲线与细胞存活率定量结果，AuMA与Gd2O3组14天释放率分别为18.5% ± 2.1%与21.3% ± 1.8%，细胞存活率维持在91.7%-94.2%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将打印支架置于37℃ PBS中连续14天取样测定造影剂浓度，采用CCK-8法评估L929成纤维细胞与HUVEC内皮细胞共培养72小时的相对存活率 |
| 发现什么 | AuMA与Gd2O3在14天内累积释放率稳定在18.5% ± 2.1%与21.3% ± 1.8%，前24小时突释<5%；细胞存活率分别达94.2% ± 3.5%与91.7% ± 4.1%，与纯GelMA组无统计学差异（p>0.05） |
| 说明什么 | 纳米颗粒通过共价/非共价作用被有效锚定在甲基丙烯酰化网络中，避免游离离子毒性，证实该生物墨水体系具备直接用于体内植入的安全窗口 |
核心发现4：光谱PCCT实现多材料空间分布的毫米级定量重建与三维体积分析
图4：四种几何构型支架的PCCT能谱分解热力图，Au定量范围2.5-25 mM，Gd2O3定量范围7-37 mM，ConC内径PCCT测量比值0.92 ± 0.03。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将多材料支架置于PCCT扫描仪，利用多能谱采集与基物质分解算法生成Au（红色）与Gd（绿色）独立浓度分布图，叠加CAD模型进行2D/3D尺寸与体积误差计算 |
| 发现什么 | PCCT成功分离双材料边界，AuMA浓度定量2.5-25 mM，Gd2O3定量7-37 mM；ConC内径PCCT测量比值0.92 ± 0.03，外径比值1.00 ± 0.03；3D网格符号距离分析显示体积误差<4.5% |
| 说明什么 | 突破传统单能CT灰度重叠瓶颈，PCCT通过光子能量分箱实现材料特异性识别，提供无损、定量的体外质控标准，可直接用于打印工艺参数迭代优化 |
核心发现5：活体皮下植入模型中PCCT保持高信噪比与定量一致性
图5：小鼠双侧皮下植入PCCT成像对比，空白支架无信号，负载支架Au定量5-30 mM、Gd2O3定量2.5-50 mM，与体外测量值误差<15%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将负载AuMA/Gd2O3的ConC支架与空白对照支架分别植入C57BL/6小鼠左右侧皮下，进行死后PCCT扫描，提取植入物区域能谱信号并与体外标准曲线比对 |
| 发现什么 | 空白支架在PCCT中呈阴性信号（信噪比<1.2）；负载支架清晰定位，Au定量5-30 mM，Gd2O3定量2.5-50 mM，与体外ConC设计测量值偏差<15%；骨组织钙信号未干扰双材料定量（伪影抑制率92%） |
| 说明什么 | 该追踪平台在复杂软组织与骨骼背景下仍维持高定量准确性，验证了多材料支架在体内长期随访、降解监测与功能评估中的临床转化潜力 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究将多材料3D生物打印与光谱PCCT深度耦合，首次建立了一套“设计-制造-无创定量追踪”闭环平台。传统支架监测依赖终点取材或低分辨率成像，本研究通过能谱分解技术实现多组分独立定量，将组织工程植入物的评估维度从定性观察推进至定量分析阶段。学界此前对多造影剂共存的串扰问题存在争议，该工作以纳米颗粒锚定策略与PCCT多能谱算法彻底解决材料区分难题，为下一代诊疗一体化（theranostic）支架确立技术范式。
临床/转化价值：
- 实现植入物位置迁移、降解速率与血管化进程的实时动态监测，减少二次手术探查风险
- 为个性化再生医学提供术前定制与术后随访的标准化质控工具，加速心脏补片、骨软骨修复等产品的临床审批
- 多能谱定量数据可直接输入计算模型，预测支架力学衰减与组织再生匹配度，指导精准给药与康复干预
与我们产品的关联：该研究核心依赖高精度多材料挤出打印与体外支架培养验证。我们的Cellink BIO X6可直接复现其双喷头多材料打印流程，支持GelMA基纳米颗粒墨水的流变适配与结构成型；Celvivo系统可为打印后支架提供长期3D动态培养与微环境调控，用于体外释放与细胞相容性预实验；3Brain HD-MEA若结合导电纳米颗粒墨水，可拓展至电生理功能监测；SIEVEWELL适用于高通量筛选不同造影剂负载比例对细胞行为的影响。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接替代论文挤出式双喷头系统，用于多材料GelMA+纳米颗粒墨水的高保真打印，支持温控与光交联模块集成 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 潜在应用：若将AuMA替换为导电纳米材料，可在打印支架中同步监测细胞电生理信号，拓展至心肌/神经组织工程 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 配套使用：为打印后支架提供长期3D动态培养与灌注微环境，用于体外释放动力学与细胞迁移预实验，降低动物模型成本 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 潜在应用：高通量筛选不同造影剂浓度与交联条件对细胞存活率的影响，加速生物墨水配方优化流程 |
参考文献
- Gil CJ, Evans CJ, Li L, et al. Leveraging 3D Bioprinting and Photon-Counting Computed Tomography to Enable Noninvasive Quantitative Tracking of Multifunctional Tissue Engineered Constructs. Advanced Healthcare Materials. 2023. DOI: 10.1002/adhm.202302271
- Badea CT, Clark DP, Li Y, et al. Spectral photon-counting CT: A review of its principles and applications in preclinical imaging. Physics in Medicine & Biology. 2020;65(15):15TR01. DOI: 10.1088/1361-6560/ab9c21
- Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 2014;32(8):773-785. DOI: 10.1038/nbt.2958
- Ozbolat V, Sahin M. Evaluation of self-assembled cell-on-cell printing of human umbilical vein endothelial cells for tissue engineering applications. Acta Biomaterialia. 2014;10(3):1298-1307. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.11.031
- Zhang YS, Khademhosseini A. Advances in engineering hydrogels. Science. 2017;356(6337):eaaf3627. DOI: 10.1126/science.aaf3627
转发语：3D打印支架植入后到底降解得怎么样？这篇论文把光子计数CT和多材料生物打印结合，实现了活体无创定量追踪，AuMA和Gd2O3纳米墨水表现亮眼，再生医学随访终于有了精准标尺。
联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top
📥 下载原文PDF：Advanced Healthcare Materials 2023 3D Bioprinting PCCT Tracking