可再现生物组织梯度特性的微流控辅助光固化3D打印系统

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

生物组织中的梯度特性在生物生长发育过程中起着关键作用，从神经管的极化到骨软骨界面的结构，梯度广泛存在。考虑到自然组织中各种梯度的重要性，在组织工程领域，不能忽视工程化移植组织中连续梯度特性的重现。然而，目前构建组织梯度特性的方法，通常存在不可避免的瓶颈。

来自哈佛医学院的张宇团队首次介绍了一种梯度DLP生物3D打印系统，结合了DLP和微流控，重新设计了料槽系统，以构建功能分级的支架和组织结构。在混合墨水并混沌流动后，可以生成细胞梯度、化学梯度、机械梯度、孔隙梯度以及PEGDA和GelMA的双墨水梯度，并可以制造具有精确可预测梯度的复杂结构。其中梯度结构可以是连续的，也可以是离散的。

相关论文“Digital Light Processing-based Bioprinting with Composable Gradients”发表于杂志Advanced Materials上。

图1 具有不同颜色梯度的三维异质结构水凝胶的打印

如图2所示，3D打印系统包括一台DLP打印机和一个微流控混沌混合料槽，其中料槽系统能以可控和可预测的方式，获得混合梯度生物墨水。

图2 实时可组合梯度DLP打印平台建立和打印过程示意图

如图3所示，通过分别监测2、3和5种颜色的PEGDA墨水的混合，来表征微流控混沌混合料槽的混合性能。光学图像和RGB强度分布均证实，通过使用这种料槽系统，可以获得所需梯度水平的均匀溶液。

图3 2、3和5种颜色的PEGDA的混合评价微流控混沌混合料槽的混合性能

如图4所示，通过向混沌混合料槽提供不同微通道流速不同颜色的PEGDA墨水，来研究微通道内流体速度对混合效率的影响。光学图像和RGB强度分析结果表明，微通道流速越快，混合效率越高。 

图4 微流控混沌混合料槽在不同微通道流速下多种墨水的混合效率

如图5所示，为了更好地理解如何控制印刷过程中的图案梯度，通过动态调整不同颜色PEGDA墨水的比例，来调节混合。结果表明，通过控制入口流速，可以精确地将所需体积的不同颜色PEGDA墨水，注入混合微通道，从而在料槽中形成连续或离散的混合梯度墨水。

图5 控制入口流速实现不同梯度特性2维和3维结构打印

如图6所示，研究人员进一步说明了这种基于DLP和微流控的梯度生物打印系统在制造具有多功能梯度的组织结构中的生物学应用，包括细胞密度、基质硬度、生长因子浓度和孔隙率。

图6 梯度生物打印系统在制造多功能梯度组织结构中的生物学应用

如图7所示，在为期4周的成骨研究中，以三组不同流量比将成孔GelMA-葡聚糖/BMP-2/MSC墨水与GelMA/MSC墨水混合，从而构建不同浓度梯度的混合墨水来进行打印。免疫荧光染色和基因表达数据表明，孔隙度和BMP-2的双重梯度成功地刺-激了骨髓间充质干细胞的成骨，并在很大程度上再现了骨组织的结构。

图7 孔隙率和BMP-2双梯度诱导的成骨作用

综上所述，基于DLP和重新设计的微流控混沌混合料槽，研究人员首次建立了一种能够实现实时可组合梯度结构打印的打印系统。可构建的生物墨水梯度，包括多种细胞的细胞密度、基底刚度、生长因子浓度、孔隙率和孔隙大小梯度等。并且梯度无论是连续的还是离散的，均可通过实时混合所需数量的生物墨水的体积（由入口流速控制），来方便制定。打印得到的复杂水凝胶梯度结构，更是具有多维度、高分辨率的特点。这种基于DLP和微流控的梯度生物打印系统能够再现自然组织的梯度特性，具有良好的分辨率和复杂的结构，具有广阔的应用前景。

参考文献

Mian Wang,Wanlu Li,Luis S. Mille,Terry Ching,Zeyu Luo,Guosheng Tang,Carlos Ezio Garciamendez,Ami Lesha,Michinao Hashimoto,Yu Shrike Zhang. Digital Light Processing Based Bioprinting with Composable Gradients. Advanced Materials
https://doi.org/10.1002/adma.202107038