實現(xiàn)多細胞生物3D打印

細胞3D打印在復雜組織再生和器官再造中具有廣闊的應用前景。作為細胞的載體，生物墨水材料的設計至關重要。然而，傳統(tǒng)的生物墨水通常使用純水凝膠材料和單一種類的組織細胞，對于復雜組織和器官再生存在著再生活性和打印性能不足等問題，從而限制了生物3D打印構(gòu)建體的再生功能。

近年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領的研究團隊通過設計基于無機生物活性材料的生物墨水，在多細胞生物3D打印構(gòu)建體用于復雜組織再生方面開展了系列研究。該研究團隊開發(fā)了多種不同功能的無機生物墨水，并利用多種細胞3D打印技術構(gòu)建了用于骨-軟骨、血管化皮膚和神經(jīng)化骨再生的仿生多細胞支架，取得了系列進展。

在骨-軟骨再生方面，該團隊基于鋰、鎂、硅元素對骨組織和軟骨組織的雙向生物活性，開發(fā)了一種基于Li-Mg-Si（LMS）生物陶瓷的生物墨水。在此基礎上，利用多細胞生物3D打印技術將軟骨細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞分層打印，構(gòu)建了仿生骨-軟骨組織的雙層多細胞支架。含LMS生物陶瓷的生物墨水不僅可以仿生軟骨下骨中的無機成分，而且還能通過釋放生物活性離子誘導不同細胞朝著特定的方向分化，從而同時促進了軟骨和軟骨下骨的一體化再生。相關研究成果發(fā)表在《今日材料》期刊。

在血管化皮膚再生方面，該團隊基于鍶、硅元素對血管再生和膠原沉積的有益作用，開發(fā)了一種基于硅酸鍶（SS）微米柱的生物墨水。在此基礎上，打印了含有成纖維細胞和血管內(nèi)皮細胞分層分布的多細胞支架，以模擬含有血管網(wǎng)絡皮膚的生理結(jié)構(gòu)?；赟S生物墨水的優(yōu)異生物活性，仿生多細胞支架能夠顯著促進細胞增殖和成血管化。此外，研究團隊通過皮下植入、急性創(chuàng)面和糖尿病難愈創(chuàng)面3種動物模型證實了該支架可以作為皮膚替代物有效促進皮膚組織的再生。相關研究成果發(fā)表在《先進醫(yī)療材料》期刊。

近日，該研究團隊基于無機生物墨水多細胞3D打印技術，在神經(jīng)化骨再生方面取得重要進展。骨骼是一個高度神經(jīng)支配的復雜器官組織，骨內(nèi)神經(jīng)纖維通過分泌多種神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)營養(yǎng)因子等積極參與骨骼的生長發(fā)育與再生修復。先前的研究表明，去除神經(jīng)支配的骨組織表現(xiàn)出延遲愈合的特性，進一步證實了骨神經(jīng)纖維對骨再生的重要調(diào)控作用。因此，通過促進骨缺損處的神經(jīng)支配，有望進一步加速骨修復的進程以及提高骨再生的質(zhì)量。由于骨組織與神經(jīng)纖維具有顯著不同的生理特性，對于目前而言，實現(xiàn)骨和骨內(nèi)神經(jīng)纖維的再生仍是巨大的挑戰(zhàn)，為此，研究團隊提出利用無機生物墨水多細胞生物3D打印技術構(gòu)建了含骨髓間充質(zhì)干細胞和神經(jīng)細胞（雪旺細胞）的多細胞支架。該支架具有同時促進骨再生以及誘導宿主神經(jīng)支配的作用，進而實現(xiàn)了高效的神經(jīng)化骨再生。

該團隊首先使用水熱法合成形貌良好的無機硅酸鈣納米線（CS），然后將其均勻混合到甲基丙烯?；髂z水凝膠（GelMA）中得到無機-有機復合生物墨水，接著將其與骨髓間充質(zhì)干細胞和雪旺細胞結(jié)合，利用多通道生物3D打印設備制備具有上下層結(jié)構(gòu)的仿生多細胞神經(jīng)-骨復合構(gòu)建體。研究發(fā)現(xiàn)，CS不僅可以增強GelMA的可打印性，使得打印的支架結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，還可以提高生物墨水的機械性能，有利于骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化。此外，CS可以通過緩釋鈣、硅離子來構(gòu)建一種適宜的離子微環(huán)境來調(diào)控細胞行為。CS不僅可以促進雪旺細胞成熟及髓鞘化相關基因和蛋白的表達，還可以同時促進骨髓間充質(zhì)干細胞成骨相關基因和蛋白的表達以及鈣結(jié)節(jié)的形成。進一步地，體內(nèi)大鼠顱骨損傷動物實驗結(jié)果表明，這種基于無機生物墨水的仿生多細胞支架可以有效促進新生骨的形成、骨整合、誘導宿主神經(jīng)纖維長入，從而實現(xiàn)高效的神經(jīng)化骨再生。該研究將功能性無機生物墨水與多細胞生物3D打印技術相結(jié)合，為實現(xiàn)復雜的神經(jīng)化組織再生提供了一種潛在的策略。該研究成果發(fā)表在《今日納米》期刊上，并申請專利一項。