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澳门新浦京:大尺寸血管化组织的同轴生物3D打印方

文章出处:3d打印机点击次数:作者:澳门新浦京
       组织/器官内的血供系统,为组织提供了必须的营养及代谢交换。而组织体外重建时当尺寸>200μm时,就会超出营养/氧气的扩散极限,需要构造丰富的血管系统,避免内部营养输送不畅。

       2015年,我们提出组织+营养通道一次性制造的同轴生物打印方法(Biomaterials, 2015,61, 203-215),用来制造带有营养流道的大尺寸结构,如图1所示。其基本原理是:将交联剂/水凝胶材料分别通入同轴喷头的内/外通道,交联剂和水凝胶在喷嘴出口处相遇,水凝胶发生快速交联形成中空凝胶管,再将凝胶管通过层层沉积形成带有流道的三维结构。然而,当时采用灌流内皮细胞悬液进行了血管化尝试,效果不佳,因为灌流内皮细胞悬液的方式只能实现简单结构的血管化,故而15年的工作重点聚焦在提升大尺寸组织的营养输送效率。


图1 同轴打印血管通道

       16年我们开始探索如何深化,19年我们通过耦合牺牲打印和同轴打印工艺,提出组织/血管同轴3D打印思路,以实现血管+结构同步制造(图2)。通过设计核/壳型的GelMA/明胶墨水,利用同轴喷头将载组织细胞墨水(外喷头)和载内皮细胞牺牲墨水(内喷头)同时挤出,打印时牺牲墨水支撑流道,培养时牺牲墨水融化形成通畅的流道网络,同时内皮细胞从牺牲墨水中释放,粘附于流道内壁进行血管化,实现从流道网络到血管化网络的转变。基于此方法,实现了血管化大块组织结构(≥1 cm)的打印及体外长时间培养(≥20 days),并成功将其应用于血管化的肿瘤模型和骨组织的制造。

图2 血管+结构一次性打印原理

        此外,在血管+结构的一次性打印策略中,由于载细胞墨水和牺牲墨水相互协同作用,相互增强了各自的可打印性,能够容易的实现复杂结构的打印。同时,由于实体结构的自支撑效应,可打印具有较高保证度的三维复杂结构,且在结构内的血管流道保持的较好(图3)。

图3 三维复杂血管流道网络结构打印

       为了模拟生物体内细胞或细胞外基质组成多样性,我们还模拟制造了多细胞或多材料组织结构(图4、图5),采用多合一喷头装置,可以切换多种载细胞材料与牺牲材料进行同步打印。打印时,选择性的通入目标载细胞材料,同时通入牺牲材料,可以打印出含有血管流道的多组分组织结构体。

图4 多组分血管流道网络结构打印原理

图5 多组分血管流道网络结构

       为了验证血管流道网络输送营养/氧气的有效性,,我们打印了cm级的含血管流道网络的大块载细胞结构体(10 mm × 10 mm × 10 mm),并观察结构体不同部位的细胞生长状况(图6),细胞在整个流道网络结构内均可逐渐伸展、迁移并连接,验证了流道网络的传输营养/氧气的有效性。

图6 培养第6天时,乳腺癌细胞在结构内逐渐伸展并连接

       随后我们验证了通过内皮细胞自动沉积生成血管化通道的可行性,经验证内皮细胞可以自沉积并粘附到血管流道内壁,并随着体外培养而增殖,最终覆盖并内皮化流道网络,形成功能化的内皮管腔。(图7)。

图7 内皮细胞自动沉积,可以有效的无死区的内皮化流道,同时内皮细胞在流道内增殖、伸展连接形成功能化的内皮管腔

     最后基于血管+结构一次性打印策略,我们打印了血管化的肿瘤组织,癌细胞在血管化组织结构内伸展,连接,同时内皮细胞覆盖并内皮化流道网络,最终形成功能化的血管化肿瘤组织(图8)。

图8 血管化肿瘤组织

       与此同时,随着长时间的培养,内皮细胞会产生血管新生芽朝向肿瘤组织内部生长(图9),而且癌细胞会逐渐向血管流道方向迁移(图10)。这些实验结果说明打印的血管化组织具有相应的生物功能,模拟出了肿瘤组织的血管化、迁移和侵袭等特性。

图9 血管出芽

图10 癌细胞迁移

      最后,我们还打印血管化骨组织(图11),再次验证血管化大组织打印策略的有效性,血管+结构一次性打印方法突破了大块组织的体外制造瓶颈。

图11 血管化骨组织

       血管+结构一次性打印方法简单实用,可有效的,无死区的使复杂血管流道网络血管化,促进了细胞的存活、伸展、迁移、连接及血管化组织的新生。同时载细胞墨水和牺牲墨水同轴打印自支撑实体结构,使得复杂结构的制造更加容易。而且,采用多合一喷头,可实现多组分血管流道结构的打印,使得多细胞或多细胞外基质的组织结构制造成为可能。此外,打印的血管流道结构后续可通过灌流培养,进行实时灌流下的血管化组织发育成熟过程研究。血管+结构一次性打印方法特别擅长于大尺寸组织的体外重建。

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