浙江大學(xué)研發(fā)一種高精度3D打印組織工程支架，力學(xué)強(qiáng)度可調(diào)、絲徑孔徑可控

來源：賀永科學(xué)網(wǎng)博客


聚合物3D打印技術(shù)可被用于制造生命科學(xué)領(lǐng)域的組織工程支架。常規(guī)3D打印技術(shù)精度控制在100-200微米量級（主要指打印出的纖維直徑），然而細(xì)胞的尺寸在10微米左右。試想，如果用這樣的組織工程支架去進(jìn)行組織培養(yǎng)，那么支架絲徑相對于細(xì)胞而言就好像是一座大山，那么，細(xì)胞爬滿整個支架的效率很低。

如果將支架絲徑降到接近乃至小于細(xì)胞尺度，會有什么有趣的現(xiàn)象呢？浙江大學(xué)賀永教授課題組提出了一種基于近場直寫3D打印技術(shù)的力學(xué)強(qiáng)度可調(diào)、絲徑與孔徑可控的非均質(zhì)支架（MEWHS），通過該技術(shù)制造的支架絲徑在3微米-50微米之間可控。研究團(tuán)隊(duì)用這個支架研究了細(xì)胞與支架的相互作用，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞可以像竹子一樣定向生長，隨著結(jié)構(gòu)的變化，細(xì)胞在支架上有多種未見報道的現(xiàn)象。

調(diào)控支架結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)細(xì)胞的特定生長
作為細(xì)胞的載體，組織工程支架被廣泛應(yīng)用于三維細(xì)胞培養(yǎng)。而支架與細(xì)胞的相互作用也在組織工程領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，支架的剛度、孔徑等因素會顯著影響細(xì)胞的粘附、增殖、分化等。

而傳統(tǒng)的3D打印支架由于纖維直徑遠(yuǎn)大于細(xì)胞尺寸，無法產(chǎn)生上述的相互作用。具有超細(xì)纖維的靜電紡絲支架則由于紡絲過程不可控，只能獲得均勻結(jié)構(gòu)。浙江大學(xué)賀永教授課題組提出了一種基于近場直寫技術(shù)制造的力學(xué)強(qiáng)度可調(diào)、絲徑與孔徑可控的非均質(zhì)支架（MEWHS），通過調(diào)控支架結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)細(xì)胞的特定生長。

區(qū)別于傳統(tǒng)的靜電紡絲（纖維不可控）與熔融沉積（FDM）的3D打印（纖維直徑太大），近場直寫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超細(xì)纖維（幾微米到幾十微米）的可控沉積。通過對近場直寫路徑的規(guī)劃，可以調(diào)節(jié)支架各部分的孔徑大小，調(diào)節(jié)細(xì)胞的粘附與生長速度。由于近場直寫獲得的纖維與細(xì)胞大小相仿，細(xì)胞的粘附將對纖維的直徑變化非常敏感。通過對打印過程中各項(xiàng)參數(shù)調(diào)控，纖維直徑能快速變化，輔以粗細(xì)纖維的特定排布，細(xì)胞在支架上將呈現(xiàn)不同的生長形態(tài)。

非均質(zhì)支架原理示意圖。來源：Materials & Design

不同細(xì)胞具有不同大小與形態(tài)，即使在同一支架上也會呈現(xiàn)不同形態(tài)。如BMSCs（骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞）通常能伸長超過100微米甚至200微米，而HUVECs則通常小于100微米。在孔徑為200微米的支架上，BMSCs會直接跨過孔隙，在纖維之間“搭橋”，而HUVECs則會沿著纖維粘附，先把方孔圍城圓形，再漸漸填滿。

不同尺寸細(xì)胞在支架上的形態(tài)差異。來源：Materials & Design

利用近場直寫的可控沉積，制造的支架可以具有不同的孔徑與孔隙形狀，為之后更深入研究細(xì)胞-支架相互作用提供可能。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員接種了HUVECs的非均質(zhì)支架，不同區(qū)域的細(xì)胞數(shù)量在第7天有了明顯的區(qū)別。

孔隙不同的支架與細(xì)胞增殖的差異。來源：Materials & Design

研究人員探索了對纖維直徑產(chǎn)生影響的多種因素，最后選擇速度作為打印過程中控制直徑的主要變量，實(shí)現(xiàn)在均勻的孔徑下實(shí)現(xiàn)支架的非均質(zhì)特性。在這種情況下，支架的不同區(qū)域具有不同力學(xué)強(qiáng)度，在不同方向的受力作用下，將產(chǎn)生不同程度的變形。通過更細(xì)致的直徑調(diào)控，粗細(xì)纖維能組成復(fù)雜圖案，如五角星、太極、求是鷹的圖案（細(xì)纖維肉眼觀察比粗纖維更透明）。

可控的纖維形成的具有不同力學(xué)強(qiáng)度與圖案的支架。來源：Materials & Design

纖維直徑不同也會對細(xì)胞粘附產(chǎn)生影響，細(xì)胞在接觸粗纖維時更傾向于整體粘附與粗纖維表面，以圓形方式填充孔隙；而在接觸細(xì)纖維時細(xì)胞則更傾向于以一端纏繞細(xì)纖維，進(jìn)而形成“搭橋”。由此，細(xì)胞在特定排布的粗細(xì)纖維上，產(chǎn)生了明顯的定向生長趨勢。

細(xì)胞在特定粗細(xì)纖維排布上產(chǎn)生的定向效果。來源：Materials & Design

浙江大學(xué)賀永教授課題組提出的高精度3D打印非均質(zhì)支架，提供了通過設(shè)計特殊支架結(jié)構(gòu)來誘導(dǎo)細(xì)胞生長的策略，通過這一策略，組織工程領(lǐng)域的科研人員將能夠更好地模擬體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境。

相關(guān)論文”Structure-induced cell growth by 3D printing of heterogeneous scaffolds with ultrafine fibers”已被Materials & Design期刊錄用。