【專題集錦】同軸生物3D列印(20210427更新)

1. AFM:類血管結構高強度水凝膠微管同軸列印

簡介:中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所阮長順研究員團隊、潘浩波研究員團隊與天津大學材料學院劉文廣教授團隊合作,基於奈米粘土(Nanoclay)/ N-丙烯醯甘氨酸醯胺(NAGA)/明膠甲基丙烯醯(GelMA)成功製備了一種氫鍵增強的高強度奈米複合醫用水凝膠墨水(簡稱CNG列印墨水),結合3D同軸列印技術成功構建具有高韌性、超拉伸性、抗壓性、快速自恢復效能的小口徑微管,該微管具有規模化生產潛能。此外,該微管還展示出良好的生物學特性,可促進內皮細胞的粘附、鋪展和內皮化,為3D列印小口徑微管支架應用於組織再生奠定基礎。相關研究成果以“Coaxial Scale-up Printing of Diameter-tunable Biohybrid Hydrogel Microtubes with High Strength, Perfusability and Endothelialization”為題發表在權威刊物Advanced Functional Materials。

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2。 大尺寸血管化組織的同軸生物3D列印方法

簡介:EFL團隊透過耦合犧牲列印和同軸列印工藝,提出組織/血管同軸3D列印思路,以實現血管+結構同步製造(圖2)。透過設計核/殼型的GelMA/明膠墨水,利用同軸噴頭將載組織細胞墨水(外噴頭)和載內皮細胞犧牲墨水(內噴頭)同時擠出,列印時犧牲墨水支撐流道,培養時犧牲墨水融化形成通暢的流道網路,同時內皮細胞從犧牲墨水中釋放,粘附於流道內壁進行血管化,實現從流道網路到血管化網路的轉變。基於此方法,實現了血管化大塊組織結構(≥1cm)的列印及體外長時間培養(≥20days),併成功將其應用於血管化的腫瘤模型和骨組織的製造。相關論文“Directly Coaxial 3D Bioprinting of Large-scale Vascularized Tissue Constructs”刊登在Biofabrication雜誌上。

3。 基於GelMA混合生物墨水構造同軸管狀組織結構

簡介:華僑大學博士生王穎在導師陳愛政教授和哈佛醫學院Y。Shrike Zhang教授的指導下,使用同軸列印技術在體外構建聚甲基丙烯醯化明膠(GelMA,由EFL團隊提供)中空纖維用於組織工程血管化的研究方面取得新進展。相關成果以“Co-axial Extrusion of Tubular Tissue Constructs using a Gelatin-Based Blend Bioink”為題近期線上發表於ACS Biomaterials Science & Engineering並被選為封面論文。

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4。 程式性藥物控釋用於預防乳腺癌術後復發及轉移

簡介:西南交通大學材料科學與工程學院周紹兵教授團隊利用同軸靜電紡絲技術研究並製備了可植入纖維裝置,所開發的可植入的分層結構超細纖維裝置與傳統的植入式裝置不同,這種裝置可以透過時間程式設計的雙重藥物釋放顯著提高手術干預的有效性,降低原發性腫瘤切除術後癌症復發和轉移的風險。相關文章“A Hierarchical Structured Ultrafine Fiber Device for Preventing Postoperative Recurrence and Metastasis of Breast Cancer”發表在Advanced Functional Materials雜誌上。

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5。 高度血管化結構內多尺度肝小葉的生物3D列印

簡介:韓國理工大學的SongwanJin團隊利用同軸擠出生物列印技術建立了肝小葉陣列,該技術可以同時建立異質的、多細胞和多材料的結構。製造的肝小葉包括肝細胞、內皮細胞和管腔。內皮細胞包圍肝細胞、小葉外部、管腔,最後相互連線。該研究可以保持列印結構的完整性和細胞功能,從而將複雜的不均勻的肝小葉結構列印成一系列的肝小葉結構陣列,從而實現從微觀到宏觀組織的生物列印。相關論文“Bioprinting of Multiscaled Hepatic Lobules within a Highly Vascularized Construct”發表在Small雜誌上上。

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6。 生物3D列印新玩法:列印結構泡泡就變小了

簡介:哈佛醫學院Yu Shrike Zhang教授團隊提出了收縮列印新策略,透過列印結構的後處理(絡合誘導)來提高解析度,不需要改變任何印表機硬體或墨水成份。具體地,將基於親水性多離子生物墨水(GelMA、HAMA、海藻酸酸鈉等)列印的水凝膠結構浸泡在電荷相反的聚陽離子殼聚糖溶液中,電荷絡合作用導致水從凝膠中排出,導致水凝膠結構迅速收縮。並利用了同軸3D列印技術進行了收縮列印策略的有效驗證研究。採用這些技術列印的水凝膠結構都觀察到了成功的收縮,證明了收縮列印方法的廣泛適用性。相關論文“Complexation-inducedresolution enhancement of 3D-printed hydrogel constructs”已發表在Nature Communications雜誌上。

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7。 生物3D列印帶纖維微球:三維共培養新思路

簡介:EFL團隊透過同軸生物3D列印結合電流體噴墨實現了三維共培養凝膠微球結構的形態及尺寸控制。GelMA生物水凝膠以其優異的特性被選作為共培養系統的基本材料。純GelMA從外噴頭流出,形成球狀結構。GelMA與海藻酸鈉混合(用於增加粘度)從內噴頭流出,在球體內形成纖維結構。該研究將同軸生物列印和電噴墨技術進行結合,並利用多組分流體流動時的“懸繩效應”實現了帶複雜纖維結構的微球製造,並將其應用於三維共培養。相關論文“3D Biofabrication of Microfiber-Laden Minispheroids: A Facile 3D Cell Co-Culturing System”在Biomaterials Science 上線上發表。

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8。 載細胞生物3D列印,離臨床產品還有多遠?

簡介:EFL團隊選用高生物活性的GelMA水凝膠作為細胞包裹材料,在纖維上成功實現了血管類器官、毛細管新生(血管出芽)、血管化腫瘤等結構的構造,證明了GelMA載細胞結構可以高效的實現細胞的功能化;開發了同軸列印工藝,可穩定、大批次地製造GelMA纖維,實現載細胞纖維的量化生產;製備的載細胞纖維還可透過凍存長期穩定的儲存,取出後又可快速恢復功能,從而實現載細胞微纖維的隨取隨用。相關論文“Bioprinting of cell-laden microfiber, can it become a standard product?”發表在Advanced Healthcare Materials雜誌上。

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9。 TOC-BBL:一種包含生物列印血管和淋巴管的腫瘤晶片

簡介:哈佛大學團隊設計構建出一種同時擁有血管和淋巴管的腫瘤晶片平臺,嵌入在一個由微流動系統控制的微流控生物反應器內,並實現了GelMA水凝膠基質內MCF-7乳腺癌細胞3D培養的動態微環境。為了匹配體內對應特性,其中的中空血管和淋巴管透過利用兩種不同組分的生物墨水進行同軸列印所得到的,可以透過生物墨水組分的最佳化來單獨調控包埋在水凝膠腫瘤基質中的血管和淋巴管的滲透效能。不同的血管/淋巴管組合以及癌細胞的分佈對生物分子和抗癌藥物展現出完全不同擴散曲線。這一體外模型將用於研究在抗腫瘤藥物篩選的過程中,腫瘤微環境內血管和淋巴管的動力學和相互作用。相關論文“A Tumor-on-a-Chip System with Bioprinted Blood and Lymphatic Vessel Pair”刊登在Advanced Functional Materials雜誌上。

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10。 纖維狀迷你組織從製造到功能,實現“形似”到“神似”的列印

簡介:EFL團隊基於流體卷繩效應,使用同軸噴頭流體控制系統進行了連續的微纖維製備,這種微纖維以海藻酸鹽水凝膠為殼,以GelMA為核。製備過程中,核心GelMA率先進行光交聯成GelMA纖維,當外殼海藻酸鹽進入氯化鈣水浴時迅速反應凝膠化而形成外殼層。透過利用流體控制技術和精確操作,實現了GelMA微纖維尺寸和形態的調節,透過該方法制備的GelMA微纖維具有長、薄、柔性等特點,可應用於生物醫學領域。相關論文“Fiber-based Mini Tissue with Morphology-Controllable GelMA Microfibers”近日刊登在SMALL雜誌上。

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11。 能夠直接列印內部血管網路的新型細胞列印工藝

簡介:EFL團隊提出了一種全新的基於中空凝膠纖維融合工藝的細胞列印方法,實現了支架結構和流道網路的同時成形。該方法利用同軸噴頭製造出中空凝膠纖維,透過三維列印平臺控制中空凝膠纖維的沉積位置以及控制凝膠反應的交聯時序,使中空凝膠纖維融合一起形成具有內建流道的三維結構。團隊透過大量的工藝實驗,系統解決了凝膠融合工藝;證實了融合後的凝膠結構強度適合於器官列印要求;並通過後續的細胞培養驗證了營養通道的有效性。相關論文“Coaxial nozzle-assisted 3D bioprinting with built-in microchannels for nutrients delivery”發表在Biomaterials雜誌上。

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