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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點(diǎn)擊次數(shù):599

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在前沿的組織工程、藥物開(kāi)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(guò)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(lèi)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(mén)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。



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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(chēng)的換能器配置,保證較大的調(diào)制自由度,通過(guò)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(lái)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(guò)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)。



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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(lèi)血管的環(huán)形結(jié)構(gòu)、類(lèi)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(guò)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(guò)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(lèi)組織模型經(jīng)過(guò)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(guò)程,比如實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),管狀的三維模型在長(zhǎng)期培養(yǎng)的過(guò)程中細(xì)胞之間相互連接融合并展現(xiàn)血管化趨勢(shì)。


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圖片圖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(jiǎn)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(xiàn)。