水凝膠和3D生物打印在實現(xiàn)骨組織模擬物的結(jié)構復雜性方面發(fā)揮重要作用

來源：EngineeringForLife

生物打印的進步使得能夠以高速和高分辨率制造復雜的組織結(jié)構。然而，組織內(nèi)仍然存在顯著的結(jié)構和生物學復雜性，目前的生物打印技術和所采用的材料對可以實現(xiàn)的規(guī)模，速度和分辨率施加了限制，使得該技術無法重現(xiàn)在骨骼中觀察到的結(jié)構層次結(jié)構和細胞-基質(zhì)相互作用。其中，水凝膠是模仿細胞外基質(zhì)的理想材料，因為它們可以被設計成呈現(xiàn)各種有利環(huán)境同時還允許生物打印。

近日，來自伯明翰大學牙科學院的Francesca K. Lewns和Gowsihan Poologasundarampillai團隊概述了水凝膠和3D生物打印在實現(xiàn)骨組織模擬物的生物學和結(jié)構復雜性方面發(fā)揮的重要作用，以及它們在指導干細胞重現(xiàn)干細胞生態(tài)位方面的責任。相關論文“Hydrogels and bioprinting in bone tissue engineering: Creating artificial stem-cell niches for in vitro models”于2023年4月23日在線發(fā)表于雜志《Advanced Materials》上。

1. 骨組織工程的障礙
目前骨組織工程的障礙主要包括：1）難以復制骨的結(jié)構和組織，以及其動態(tài)重塑過程；2）難以將功能性和成熟的血管化納入其中；3）難以提供適當?shù)钠鞴偌壌碳ぃ�機械負荷和流體流動）。為了彌合工程組織和天然組織之間的差距，重要的是克服與3D生物制造策略相關的有限空間分辨率障礙，并創(chuàng)新以產(chǎn)生具有細胞宿主和材料配方的復雜層次結(jié)構。在研究生物和結(jié)構功能時，還應同步考慮使用材料配方和生物物理線索構建特殊微環(huán)境直至細胞表型效應的過程（信號——化學、物理和機械）（圖1）。

圖1 骨結(jié)構及與3D生物打印的結(jié)合

2. 生物材料挑戰(zhàn)：材料特性
ECM支持并影響重要的細胞過程，包括形態(tài)、遷移和命運。細胞對生物化學和生物物理刺激（圖2a）以及氧氣水平和營養(yǎng)濃度的反應來感知和修飾其基質(zhì)，所有這些因素都有助于微環(huán)境生態(tài)位。機械敏感性反饋在骨組織中很重要，由于周圍環(huán)境的外部物理和流體力而改變其表型和功能，以調(diào)節(jié)組織形成（圖2b）。

圖2 （a）細胞行為微環(huán)境的生物物理線索示意圖；（b）在骨細胞中描述的與幾種生物成分的機械感應和反應的細胞過程

3. 細胞附著和組織
通過生物化學和生物物理線索促進細胞附著在水凝膠基質(zhì)上是優(yōu)化的一個關鍵方面。作者在此部分詳細敘述了水凝膠結(jié)構在細胞附著和組織中的作用，圖 2a 顯示了生物物理線索的總體概括，主要包括：（1）水凝膠剛度在細胞遷移、增殖和分化中的作用（圖3a-b）、（2）水凝膠粘彈性對細胞遷移、增殖和分化的影響（圖3c-f、圖4）、（3）水凝膠降解在細胞遷移、增殖和分化中的作用、（4）水凝膠3D結(jié)構在細胞遷移、增殖和分化中的作用。

圖3 水凝膠剛度（a-b）和粘彈性（c-f）對細胞反應的影響

圖4  (a-b) 水凝膠粘彈性和(c)降解對重塑粘彈性的作用

4. 骨組織沉積和重塑
本節(jié)描述了如何微調(diào)生物材料的特性以將細胞行為局部引導至單個細胞。增材制造，特別是生物制造，非常適合將生物物理線索從局部擴展到器官水平。生物制造可以通過引入自上而下的方法來創(chuàng)建類似于骨骼的復雜、多變的結(jié)構，從而克服宏觀空間和機械的復雜性，并可以為多樣化的空間布置提供解決方案，以提供組織匹配的機械性能。例如，水凝膠網(wǎng)絡結(jié)構和網(wǎng)孔大小是影響新組織形成的關鍵結(jié)構組成部分，支架中的結(jié)構線索在調(diào)節(jié)血管化方面發(fā)揮著特殊作用；此外，納米尺度的對稱性和無序模式，以納米線索的形式已被證明可以作為生物活性設計。

5. 骨組織工程生物打印
生物打印是生產(chǎn)密切反映組織和器官各向異性復雜性質(zhì)的結(jié)構的幾種方法之一。在生物打印中，有不同的制造策略，包括基于液滴、基于擠出和激光輔助打印，以及立體光刻。

作者在本節(jié)重點介紹了3D生物打印技術如何用于組織制造領域的創(chuàng)新，主要介紹了當前組織制造面臨的挑戰(zhàn)以及最新進展，還介紹了生物打印方面的關鍵創(chuàng)新。作者在表1總結(jié)了不同的生物打印技術及其優(yōu)點和局限性。

表1 目前3D 生物打印技術及其優(yōu)點和局限性概述（部分）

最后，作者結(jié)合一些實際案例對近年來生物 3D 打印的實際進展進行了說明，這些創(chuàng)新使大型組織和多材料打印成為可能，使其具有良好的分辨率和更高的細胞活力。

6. 結(jié)論和展望
由于組織工程是一個跨學科領域，關鍵挑戰(zhàn)仍然存在于本綜述強調(diào)的三個不同領域——BTE、水凝膠設計和先進制造的 3D 生物打印。為了創(chuàng)建完全具有代表性的體外組織模型，需要對潛在療法進行長期、完整的結(jié)構測試，研究人員必須確定這三個領域中未滿足的要求：

1）首先要再現(xiàn)的器官的動態(tài)特性，即復雜性、血管形成和器官水平模擬；

2）二是水凝膠的開發(fā)和進步，它可以概括干細胞微環(huán)境生態(tài)位并指導適當?shù)募毎�表型�?br />
3）3D生物打印在水凝膠和3D構造開發(fā)和組織成熟所需的復雜骨骼結(jié)構之間架起了一座有效橋梁。技術的進步，包括體積打印、多材料打印和基于微流體的打印，極大地提高了打印速度、分辨率和復雜性，這些障礙可以通過水凝膠配方的協(xié)同發(fā)展和生物打印技術的融合來克服。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202301670