组织特异性高细胞密度生物墨水 3D 生物打印工程化组织
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Biofabrication of engineered tissues by 3D bioprinting of tissue specific high cell-density bioinks |
| 期刊 | Materials Today, Volume 86, July 2025, Pages 172-182 |
| DOI | 10.1016/j.mattod.2025.03.021 |
| 作者 | Oju Jeon, Hyoeun Park, J. Kent Leach, Eben Alsberg |
| 机构 | University of Illinois Chicago, Department of Biomedical Engineering |
| 影响因子 | 22.0 |
| 引用 | 7 次 |
| 许可 | CC-BY-NC-ND（开放获取） |
核心科学问题
3D 生物打印高细胞密度生物墨水是细胞凝聚体工程化和再生医学的前沿技术，但现有方法面临两大挑战：
- 传统生物墨水依赖天然聚合物支架（明胶、藻酸盐、胶原等），这些材料会干扰细胞间直接接触，且降解速率与新生组织形成不同步
- 纯细胞打印缺乏长期结构支撑，或需要预培养细胞聚集体/链状结构，导致分辨率下降、培养时间长、设备昂贵
技术方案
研究团队开发了一种新型无支架 3D 生物打印策略：
1. OMA 微凝胶支撑浴
- 材料：氧化甲基丙烯酰化藻酸盐（OMA）微凝胶
- 特性：剪切变稀、自修复、可光交联
- 优势：打印针头可自由移动（剪切变稀），打印后微凝胶自愈合保持结构稳定，光交联后提供长期机械支撑
2. 组织特异性高细胞密度生物墨水
设计了三种类型：
- 单个细胞 + 生长因子负载明胶微粒（GM）：直接混合
- 细胞聚集体 + GM：补充添加
- 含 GM 的细胞聚集体：聚集体形成时包含 GM
3. 生长因子控释系统
- TGF-β1 负载 GM → 软骨分化
- BMP-2 负载 GM → 骨分化
- GM 可持续释放生长因子，无需外源补充，实现空间和时间控制
图 1. 组织特异性高细胞密度生物墨水配方及 OMA 微凝胶支撑浴中的 3D 打印过程
实验数据
流变学表征（Figure 2）
图 2. 组织特异性高细胞密度生物墨水的流变学特性
- 所有生物墨水均表现出剪切变稀行为
- 剪切屈服应力 < 1 Pa，极低剪切力即可流动
- 储能模量（G'）> 损耗模量（G"），机械稳定性良好
- 约 25% 剪切应变下发生凝胶-溶胶转变
- 动态应变测试显示自修复性能：高应变下 G" > G' 交叉，低应变下快速恢复
高分辨率打印与软骨分化（Figure 3）
图 3. 3D 生物打印结构的分辨率、形状保真度和软骨分化表征
- 22G 打印针头实现高分辨率打印，丝状结构直径分布窄
- hMSC 和 hASC 打印精度一致，不同甲基化度 OMA 微凝胶均适用
- 3D 打印结构保持高形状保真度
- hMSC 打印结构在基础培养基（BPM）中培养 4 周后成功形成软骨组织
- Saf-O/Fast Green 染色确认糖胺聚糖（GAG）沉积
- GAG/DNA 含量与阳性对照组无显著差异
多相组织构建（Figure 4）
图 4. 3D 打印多相骨软骨组织及分化表征
- 成功打印管状骨软骨结构：交替沉积成骨和软骨生物墨水
- 成骨相：Alizarin Red S 强阳性（钙沉积），Saf-O 弱阳性
- 软骨相：Saf-O 强阳性（GAG），Alizarin Red S 弱阳性
- 两相界面清晰，H&E 和 Alizarin Red S 染色确认
- GAG/DNA 和 ALP/DNA 定量分析支持组织特异性分化
聚集体生物墨水（Figure 5）
图 5. 基于聚集体的生物墨水 3D 打印及软骨分化
- 细胞聚集体生物墨水打印分辨率与单个细胞相当
- Aggregate + GM 和 Aggregate formed with GM 两种策略均成功
- 打印字母 "C" 结构，4 周培养后保持高形状保真度
- 软骨分化结果与单个细胞打印相当
创新点
- 首创无支架 3D 生物打印平台：无需生物材料支架，打印结构靠细胞自身凝聚维持
- OMA 微凝胶支撑浴：可调控物理特性（力学、溶胀率、降解速率），适配不同组织工程需求
- 组织特异性生长因子空间定位：通过 GM 负载实现多相组织的精确分化控制
- 三种生物墨水类型：单个细胞、聚集体 + GM、含 GM 聚集体，灵活适配不同应用
- 多相组织构建：成功制造骨软骨界面结构，具有明确的组织分区
局限性
- 细胞类型有限：仅使用 hMSC 和 hASC，未测试其他细胞类型（如 iPSC、原代细胞）
- 仅展示骨和软骨：未验证其他组织类型（肝脏、心脏、血管等）
- 缺乏血管化：文章提到未来工作需要加入血管化，当前模型无血管网络
- 长期功能验证不足：仅 4 周培养，未评估更长期的组织功能和稳定性
- 体内验证缺失：仅在体外验证，未进行动物模型测试
- 打印速度：微凝胶支撑浴中打印速度可能较慢，大规模生产可行性待验证
学术启示
该研究为精准组织工程开辟了新路径：
- 高细胞密度 + 无支架 = 更接近天然组织的细胞间相互作用
- 生长因子空间控制 = 多相组织/器官构建的基础
- OMA 微凝胶可降解 = 打印结构可轻松收获，无需酶消化
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