3D打印器件輔助的聲學(xué)細(xì)胞三維組裝

更新時(shí)間：2023-05-29

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在前沿的組織工程、藥物開發(fā)、甚至臨床應(yīng)用中，模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境的體外模型構(gòu)建都是十分重要的條件，而細(xì)胞或微結(jié)構(gòu)單元的組裝方式以及細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境在組織功能化過程中扮演關(guān)鍵角色，這也就促使了三維組織結(jié)構(gòu)打印技術(shù)的發(fā)展。在這些技術(shù)中，以投影式光固化、擠出式打印技術(shù)等為代表，使用包含有細(xì)胞的水凝膠作為生物墨水材料，展現(xiàn)了*的生物組織構(gòu)建的能力。但是，這種打印仍局限于對(duì)生物墨水整體打印，而其中的細(xì)胞是隨機(jī)分布的，難以主動(dòng)的對(duì)細(xì)胞組建微結(jié)構(gòu)單元，這也是目前生物打印面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

近些年，聲波作為一種易于集成、高生物親和性且高精度的控制手段，在細(xì)胞的靈活操控和高效組裝應(yīng)用中得到廣泛研究，比如將聲波與微流控相結(jié)合的聲流控與聲鑷技術(shù)，特別適合操控細(xì)胞構(gòu)建類組織的體外模型。而如何將二維的聲場(chǎng)操控技術(shù)拓展到三維，并進(jìn)行三維組織結(jié)構(gòu)的組裝，是其邁向生物3D打印需要解決的難題。近日，廈門大學(xué)陳鷺劍教授、胡學(xué)佳助理教授與武漢大學(xué)楊奕教授課題組合作提出了一種新的解決方案：結(jié)合層片打印和聲學(xué)操控細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)組裝，并以題為：Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution發(fā)表于Biofabrication 期刊上。

圖1.聲學(xué)3D細(xì)胞組裝示意圖。

借鑒多層光固化打印的思路，本研究提出基于聲表面波在凝膠層片中直接操控細(xì)胞組成特征結(jié)構(gòu)，并對(duì)層片單元進(jìn)行多層組裝，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)組裝和仿生組織構(gòu)建。圖一中展示了該策略的示意圖，該技術(shù)在Z-切鈮酸鋰基底上設(shè)計(jì)具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的換能器配置，保證較大的調(diào)制自由度，通過波矢組合、相位組合以及振幅調(diào)制（圖1b），能夠?qū)悠屑?xì)胞組裝成為多樣的結(jié)構(gòu)。而為了將表面波產(chǎn)生的二維聲場(chǎng)和二維細(xì)胞結(jié)構(gòu)拓展到三維空間，使用了摩方精密的PμSL高精度3D打印技術(shù)（nanoArch P150，摩方精密)，來制造高精度模塊化框架，與表面波聲場(chǎng)耦合，并在該框架中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞組裝（圖1c）。GelMA 60作為生物墨水，經(jīng)過光固化后，可形成具有微觀結(jié)構(gòu)的凝膠層片。再將該凝膠層片作為二維單元，進(jìn)行多層的對(duì)齊組裝以及使用水凝膠融合，即可得到被凝膠基質(zhì)固定的微觀三維結(jié)構(gòu)。

圖2.結(jié)合3D打印模組的器件示意圖。

作為論證，圖三展示結(jié)合3D打印組件的聲波裝置調(diào)制產(chǎn)生的多種聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其具有不同的特征單元，比如類血管的環(huán)形結(jié)構(gòu)、類肝小葉的蜂巢結(jié)構(gòu)以及密堆的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等等，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其進(jìn)行靈活細(xì)胞組裝的能力（圖3b）。通過二次三維組裝，研究人員實(shí)現(xiàn)了多種三維的細(xì)胞尺度的類組織模型構(gòu)建，包括空心管狀的毛細(xì)血管組織、交織的組織結(jié)構(gòu)以及類肝小葉蜂巢組織等（圖4）。這些特征單元的尺度取決于聲場(chǎng)的周期，可以通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在幾十微米到數(shù)百微米變化。而在三維空間上，由于使用高精度打印的單元結(jié)構(gòu)，這些層片的厚度可以低至100微米，能夠通過設(shè)計(jì)不同層間距離適配不同組織高度的需求。并且這些三維類組織模型經(jīng)過培養(yǎng)展現(xiàn)了較好的活性，微觀上緊密連接的仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)一步促進(jìn)了細(xì)胞與組織功能化的過程，比如實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，管狀的三維模型在長期培養(yǎng)的過程中細(xì)胞之間相互連接融合并展現(xiàn)血管化趨勢(shì)。

圖4.對(duì)細(xì)胞層片單元進(jìn)行多層組裝，構(gòu)建的多種三維結(jié)構(gòu)熒光共聚焦圖。

該聲學(xué)細(xì)胞3D組裝技術(shù)將聲表面波的二維操控能力拓展到三維空間，展現(xiàn)了獨(dú)。特的優(yōu)勢(shì)，比如直接對(duì)細(xì)胞組裝、精準(zhǔn)構(gòu)造組織結(jié)構(gòu)、靈活可控以及操作簡便。這項(xiàng)研究展現(xiàn)了對(duì)生物墨水打印之外對(duì)微觀介質(zhì)構(gòu)建的能力，從新的維度提出了一種創(chuàng)新的技術(shù)路線。