生物3D打印具有電子嗅覺潛力的生物鼻子

來源：EngineeringForLife

從結(jié)構(gòu)的相似走向功能的逼近是生物3D打印的必然趨勢，來自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的團隊在常見的軟骨打印基礎(chǔ)上，演示了集成生物傳感功能的生物鼻子原型，展示了生物3D打印再現(xiàn)復(fù)雜組織功能的光明前景。

近期發(fā)表在Advance Science雜志上題為“A 3D‐Printed Hybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”的文章，來自哈佛醫(yī)學(xué)院的Su Ryon Shin團隊。

在這里，Su Ryon Shin團隊開發(fā)出一種軟骨細胞負(fù)載的三維生物打印軟骨樣結(jié)構(gòu)，帶有電子嗅覺模擬生物傳感器。由甲基丙烯�；�水凝膠（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）組成的光交聯(lián)水凝膠生物墨水可以通過調(diào)節(jié)生物墨水的機械性能，形成一個機械穩(wěn)定、生物相容的三維微環(huán)境，以支持軟骨細胞的生長和分化。因此，可以優(yōu)化由不同水凝膠濃度組成的具有硬和軟機械性能的兩種不同的生物墨水，以模擬鼻軟骨天然ECM的機械性能，從而允許鼻軟骨組織的形成。

圖1  3D打印電子鼻軟骨示意圖

通過增加硬層數(shù)，可以獲得更高的幾何精度和力學(xué)性能。這種可調(diào)性對于具有復(fù)雜打印模式和噴嘴在所有X、Y和Z方向移動的3D生物打印結(jié)構(gòu)尤其有用，即3D鼻模型中的噴嘴移動。不僅如此，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度可以抑制細胞的生長和ECM的分泌。在這種情況下，使用更高的軟硬比將為軟骨細胞生長提供更合適的基質(zhì)。不同軟硬比試件的力學(xué)壓縮試驗表明，1:0、1:1和1:2的楊氏模量無顯著差異。然而，楊氏模量在2:1和1:2之間顯著增加。結(jié)果，選擇（1:2）的比例來創(chuàng)建具有結(jié)構(gòu)完整性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時提供與軟骨細胞生長和軟骨發(fā)育所需的ECM相同的力學(xué)性能。

圖2  3D打印鼻在不同軟硬層數(shù)比時的性能表征

充滿細胞的柔軟和堅硬的印刷層組成的3D打印結(jié)構(gòu)可以作為一種合適的支架，用于軟骨細胞的播種和封裝，以改善3D中的軟骨生成行為并促進軟骨細胞外基質(zhì)的沉積。該團隊首先將軟骨細胞封裝在軟性生物墨水中，并在雙噴嘴打印過程中使用含細胞軟墨水和無細胞硬墨水打印多材料結(jié)構(gòu)。接下來，讓充滿細胞的結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定下來，并在體外培養(yǎng)2天。為了提高細胞的活力和增加整個大尺度結(jié)構(gòu)的細胞密度，在打印后的第2天，在打印的結(jié)構(gòu)上種植更多的軟骨細胞。將軟骨細胞接種到印刷體上也可以提高細胞信號和整個結(jié)構(gòu)的互連性。

圖3 載細胞墨水在體外培養(yǎng)過程中的特性表征

在優(yōu)化印刷和軟骨發(fā)育成熟后的下一步是創(chuàng)造一種結(jié)合傳感能力的混合鼻結(jié)構(gòu)。印刷鼻孔模型的凸幾何形狀以及鼻孔腔需要一個具有卷曲和凹凸的相對褶皺的印刷圖案。當(dāng)傳感器室暴露在外時，在兩個功能化傳感器上打印雙墨水電池負(fù)載的鼻子（圖4a，d）。為了更好地說明使用顏色對比的鼻子的多材料印刷，圖4c中的鼻子使用1:1的墨水比例印刷（硬層顯示為綠色，軟層顯示為紅色）。

圖4 生物傳感系統(tǒng)與3D打印結(jié)構(gòu)的集成

EIS是一種無標(biāo)記的檢測方法，最近被用作一種快速可靠的方法來檢測各種化學(xué)氣味、空氣中的病原體和具有高靈敏度的生物標(biāo)記物。類似于嗅覺上皮的傳感機制，EIS系統(tǒng)可以通過創(chuàng)建一個類似于通過鼻粘液的傳感平臺來模擬氣味結(jié)合機制。該團隊采用這種檢測方法開發(fā)了雜交鼻子的生物傳感組件（圖5a），基于Au的生物傳感在生物傳感器官能團中提供了高度靈活性，用多種天然或合成受體檢測各種各樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括爆炸物和人類難以察覺的生物分子。

圖5 生物傳感檢測TNT分子機理與過程

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901878