探討基于微纖維的迷你組織制造

纖維狀組織（血管、肌肉、神經(jīng)等）是常見的組織結(jié)構(gòu)。有沒有可能在體外構(gòu)造出基本的微纖維單位，然后組裝成纖維組織呢？課題組這幾年除了探討基于微球的迷你組織外，還對基于纖維的迷你組織制造產(chǎn)生了濃厚的興趣。目前制造迷你纖維組織最大的挑戰(zhàn)在于如何制造出兼顧生物活性及可加工性的水凝膠微絲。高生物活性可確保載細(xì)胞的微纖維能在后續(xù)的培養(yǎng)中細(xì)胞建立連接，并誘導(dǎo)出組織的功能。

受限于制造工藝，基于海藻酸鹽體系的微纖維目前報(bào)道較多，但海藻酸鹽體系的水凝膠阻礙了后續(xù)的細(xì)胞發(fā)育，使其無法發(fā)展為微組織。GelMA水凝膠是一種生物活性非常好，同時(shí)能快速光固化的水凝膠材料，但GelMA的固化時(shí)間稍長（3-5s），同時(shí)載細(xì)胞的GelMA粘度較低，導(dǎo)致其直接制造難度較大。如能高效實(shí)現(xiàn)GelMA微纖維的制造，將有望發(fā)展出基于微纖維的迷你組織。

課題組受到旋繩效應(yīng)的啟發(fā)，開發(fā)了一種同軸生物打印技術(shù)，采用課題組產(chǎn)業(yè)化的高性能水凝膠GelMA，實(shí)現(xiàn)了GelMA材料異質(zhì)微纖維的制造，可打印多種組分，多種形態(tài)的纖維狀迷你組織。課題組在微纖維中包裹了內(nèi)皮細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞在很短的時(shí)間內(nèi)即可遷移到纖維表面，形成類微血管結(jié)構(gòu)。

纖維狀組織（血管、肌肉、神經(jīng)等）也是常見的組織結(jié)構(gòu)，而體外重建纖維形態(tài)的組織要求材料同時(shí)具備較強(qiáng)的可加工性和優(yōu)異的生物相容性。而現(xiàn)有研究采用的海藻酸鹽體系水凝膠可加工性能好，但生物性能較弱，限制了打印后組織功能的誘導(dǎo)。

甲基丙烯酸化水凝膠gelatin methacrylate (GelMA)，是一種光敏性生物水凝膠，兼?zhèn)漭^強(qiáng)的可加工性和生物相容性，是組織工程、生物醫(yī)學(xué)、生物制造等領(lǐng)域的熱門材料，具有極大的潛力。該材料的詳細(xì)介紹可參考我上一篇博文。

近日，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授團(tuán)隊(duì)采用課題組和蘇州智能制造研究院聯(lián)合研發(fā)的GelMA材料，開發(fā)出了功能性形態(tài)可控GelMA微纖維，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了纖維狀組織的功能化誘導(dǎo)。

相關(guān)論文Fiber-based Mini Tissue with Morphology-Controllable GelMA Microfibers近日刊登在WILLY旗下的SMALL雜志上。第一作者為博士生邵磊和博士后高慶，通訊作者為賀永教授。

GelMA微纖維同軸生物打印

在本文中，研究團(tuán)隊(duì)基于流體懸繩效應(yīng)，使用同軸噴頭流體控制系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)的微纖維制備（如上圖），微纖維以海藻酸鹽水凝膠為殼，以GelMA為核。核心GelMA率先進(jìn)行光交聯(lián)成GelMA纖維，當(dāng)外殼海藻酸鹽進(jìn)入氯化鈣水浴時(shí)迅速反應(yīng)凝膠化而形成外殼層。海藻酸鹽的作用是先快速定形，固定未完全固化的GelMA，待GelMA固化后，海藻酸鹽水凝膠可被消化去除。利用流體控制技術(shù)和精確操作，實(shí)現(xiàn)了GelMA微纖維尺寸和形態(tài)的調(diào)節(jié)，該方法制備的GelMA微纖維具有長、薄、柔性等特點(diǎn)。由于生物體內(nèi)組織組成成分多樣化，因此制備多材料異質(zhì)纖維顯得很有必要。研究團(tuán)隊(duì)對制造系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，制造出了多種多材料異質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)（如下圖），如Janus結(jié)構(gòu)，多層GelMA結(jié)構(gòu)，雙平行和雙螺旋GelMA結(jié)構(gòu)。

多組分異質(zhì)GelMA纖維

研究團(tuán)隊(duì)打印了裹人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的直血管和螺旋血管迷你組織（如下圖），細(xì)胞在GelMA里可以增殖伸展并遷移。有趣的是，隨著培養(yǎng)時(shí)間的加長，內(nèi)皮細(xì)胞遷移到GelMA纖維外壁，并建立連接形成似血管的內(nèi)皮管腔，這是GelMA纖維外壁營養(yǎng)更充分導(dǎo)致細(xì)胞遷移的結(jié)果。

直血管制造

螺旋血管

血管制造