技(ji)術文章

當前位(wei)置(zhi)：首(shou)頁(ye)技(ji)術(shu)文章3D打(da)印器(qi)件輔(fu)助(zhu)的(de)聲(sheng)學(xue)細胞三維(wei)組(zu)裝(zhuang)

3D打印器(qi)件輔助(zhu)的(de)聲(sheng)學(xue)細胞三維(wei)組(zu)裝(zhuang)

更(geng)新(xin)時間(jian)：2023-05-29

點擊次(ci)數：1108

圖(tu)片(pian)

在前沿(yan)的(de)組(zu)織(zhi)工程、藥(yao)物(wu)開發、甚(shen)至(zhi)臨(lin)床(chuang)應(ying)用(yong)中，模擬體內(nei)組織(zhi)結(jie)構(gou)和環(huan)境(jing)的(de)體外模型構建(jian)都(dou)是十(shi)分(fen)重要(yao)的條件，而(er)細胞或微(wei)結(jie)構單(dan)元(yuan)的組裝(zhuang)方式以及(ji)細(xi)胞外基(ji)質(zhi)環境(jing)在組織(zhi)功(gong)能(neng)化過程中扮演關(guan)鍵角色(se)，這也(ye)就促使了三(san)維(wei)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)打印技術(shu)的發展(zhan)。在這些技術中，以投(tou)影式光固(gu)化(hua)、擠出式打印(yin)技術等(deng)為(wei)代表(biao)，使用(yong)包含有細(xi)胞的水(shui)凝(ning)膠(jiao)作為生(sheng)物(wu)墨(mo)水(shui)材料，展(zhan)現了*的(de)生(sheng)物(wu)組織(zhi)構(gou)建(jian)的能力(li)。但(dan)是(shi)，這種打印(yin)仍局限於(yu)對生(sheng)物(wu)墨(mo)水(shui)整(zheng)體打(da)印，而(er)其(qi)中的(de)細胞是隨機分(fen)布(bu)的，難(nan)以主(zhu)動(dong)的(de)對細胞組建微(wei)結(jie)構單(dan)元(yuan)，這也(ye)是目前生(sheng)物(wu)打印面臨(lin)的(de)壹個挑戰。

近些年(nian)，聲(sheng)波(bo)作為壹種易於(yu)集成、高生(sheng)物(wu)親和性(xing)且(qie)高精(jing)度的控(kong)制手(shou)段，在細胞的靈(ling)活(huo)操控(kong)和高效(xiao)組裝(zhuang)應(ying)用(yong)中得到廣泛(fan)研究，比如(ru)將聲(sheng)波(bo)與微流(liu)控(kong)相結(jie)合的聲(sheng)流控(kong)與聲(sheng)鑷技術(shu)，特別適合(he)操(cao)控(kong)細胞構建類(lei)組織(zhi)的(de)體外模型。而如(ru)何(he)將二維(wei)的(de)聲(sheng)場操控(kong)技術(shu)拓(tuo)展(zhan)到三維(wei)，並(bing)進(jin)行三維(wei)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)的組裝(zhuang)，是其(qi)邁向生(sheng)物(wu)3D打印需(xu)要解決(jue)的(de)難題。近日，廈(sha)門(men)大學(xue)陳鷺劍教授、胡學(xue)佳助(zhu)理(li)教授與武(wu)漢大學(xue)楊(yang)奕(yi)教授課(ke)題組(zu)合(he)作提出了壹(yi)種新的(de)解決(jue)方(fang)案：結合(he)層片打(da)印和聲(sheng)學(xue)操控(kong)細胞三維(wei)結(jie)構(gou)組(zu)裝(zhuang)，並(bing)以題為(wei)：Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution發表(biao)於(yu)Biofabrication 期(qi)刊(kan)上(shang)。

圖(tu)片(pian)

圖(tu)1.聲(sheng)學(xue)3D細胞組裝(zhuang)示(shi)意(yi)圖(tu)。

借鑒(jian)多層(ceng)光固(gu)化(hua)打(da)印(yin)的思路，本(ben)研(yan)究提出基(ji)於(yu)聲(sheng)表面波(bo)在凝膠層片(pian)中直接(jie)操控(kong)細胞組成特征結構，並(bing)對層片單(dan)元(yuan)進(jin)行多層組裝(zhuang)，成功實(shi)現了細(xi)胞的三維(wei)結(jie)構(gou)組(zu)裝(zhuang)和仿生(sheng)組(zu)織(zhi)構(gou)建(jian)。圖(tu)壹(yi)中展(zhan)示(shi)了該策(ce)略的示(shi)意(yi)圖(tu)，該技(ji)術(shu)在Z-切鈮酸(suan)鋰基(ji)底上(shang)設(she)計(ji)具有六重(zhong)旋(xuan)轉對(dui)稱(cheng)的換(huan)能(neng)器(qi)配(pei)置(zhi)，保證(zheng)較大的(de)調(tiao)制(zhi)自(zi)由度，通過(guo)波(bo)矢(shi)組(zu)合(he)、相位組合以及(ji)振(zhen)幅調(tiao)制(zhi)（圖(tu)1b），能(neng)夠(gou)將層(ceng)片(pian)中細(xi)胞組裝(zhuang)成為多(duo)樣的結(jie)構。而(er)為了將表(biao)面(mian)波(bo)產(chan)生(sheng)的(de)二維(wei)聲(sheng)場和二維(wei)細(xi)胞結構拓(tuo)展(zhan)到三維(wei)空(kong)間(jian)，使用(yong)了摩方精(jing)密的(de)PμSL高精(jing)度3D打印(yin)技(ji)術（nanoArch P150，摩方精(jing)密)，來制造高精(jing)度模塊化框(kuang)架(jia)，與表面(mian)波(bo)聲(sheng)場耦合(he)，並(bing)在該框(kuang)架(jia)中實(shi)現細(xi)胞組裝(zhuang)（圖(tu)1c）。GelMA 60作為生(sheng)物(wu)墨(mo)水(shui)，經(jing)過光(guang)固(gu)化(hua)後(hou)，可(ke)形(xing)成(cheng)具有微(wei)觀結構(gou)的(de)凝(ning)膠層片(pian)。再(zai)將該凝(ning)膠(jiao)層片作為二維(wei)單(dan)元(yuan)，進(jin)行多層的對(dui)齊(qi)組(zu)裝(zhuang)以及(ji)使用(yong)水(shui)凝(ning)膠(jiao)融(rong)合(he)，即(ji)可得到被(bei)凝(ning)膠基(ji)質(zhi)固(gu)定(ding)的(de)微(wei)觀三維(wei)結(jie)構(gou)。

圖(tu)片(pian)

圖(tu)2.結(jie)合(he)3D打(da)印(yin)模組的器(qi)件(jian)示(shi)意(yi)圖(tu)。

作為論證，圖(tu)三(san)展(zhan)示(shi)結合(he)3D打印(yin)組件的聲(sheng)波(bo)裝(zhuang)置(zhi)調(tiao)制(zhi)產(chan)生(sheng)的(de)多(duo)種聲(sheng)場結構(gou)，其(qi)具有不(bu)同的特征單(dan)元(yuan)，比如(ru)類(lei)血管(guan)的(de)環(huan)形(xing)結(jie)構(gou)、類(lei)肝(gan)小(xiao)葉的(de)蜂巢(chao)結(jie)構(gou)以及(ji)密(mi)堆(dui)的(de)點陣結構(gou)等等(deng)，並(bing)且(qie)通過(guo)實驗(yan)驗證(zheng)其(qi)進(jin)行靈(ling)活(huo)細胞組裝(zhuang)的能力(li)（圖(tu)3b）。通過(guo)二次(ci)三(san)維(wei)組(zu)裝(zhuang)，研究人員(yuan)實(shi)現了多(duo)種三維(wei)的(de)細(xi)胞尺(chi)度的類(lei)組織(zhi)模型構建(jian)，包括(kuo)空心(xin)管(guan)狀(zhuang)的毛細(xi)血(xue)管(guan)組(zu)織(zhi)、交(jiao)織(zhi)的(de)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)以及(ji)類(lei)肝(gan)小(xiao)葉蜂巢(chao)組(zu)織(zhi)等(deng)（圖(tu)4）。這些特征單(dan)元(yuan)的尺(chi)度取(qu)決(jue)於(yu)聲(sheng)場的周(zhou)期(qi)，可以通過(guo)設(she)計(ji)實現在幾十(shi)微(wei)米(mi)到數百微米(mi)變化(hua)。而(er)在三維(wei)空(kong)間(jian)上(shang)，由於(yu)使用(yong)高精(jing)度打印(yin)的(de)單(dan)元(yuan)結構，這些層片的厚(hou)度可以低至(zhi)100微(wei)米(mi)，能(neng)夠(gou)通過(guo)設(she)計(ji)不(bu)同層間(jian)距離(li)適配(pei)不(bu)同組織(zhi)高度的需(xu)求。並(bing)且(qie)這些三維(wei)類(lei)組織(zhi)模型經(jing)過培養展(zhan)現了較(jiao)好的(de)活(huo)性，微(wei)觀上緊(jin)密(mi)連接的(de)仿生(sheng)結(jie)構(gou)進(jin)壹(yi)步促進(jin)了細(xi)胞與組織(zhi)功(gong)能(neng)化的過程，比如(ru)實驗(yan)中驗(yan)證發現，管(guan)狀(zhuang)的三(san)維(wei)模型在長期(qi)培養的過程中細(xi)胞之間(jian)相(xiang)互連接融(rong)合(he)並(bing)展(zhan)現血(xue)管(guan)化(hua)趨勢。

圖(tu)片(pian)

圖(tu)片(pian) 圖(tu)4.對(dui)細(xi)胞層片單(dan)元(yuan)進(jin)行多層組裝(zhuang)，構建的(de)多種三維(wei)結(jie)構(gou)熒(ying)光(guang)共(gong)聚(ju)焦(jiao)圖(tu)。

該聲(sheng)學(xue)細胞3D組裝(zhuang)技術將聲(sheng)表面波(bo)的(de)二維(wei)操(cao)控(kong)能力(li)拓(tuo)展(zhan)到三維(wei)空(kong)間(jian)，展(zhan)現了獨(du)。特的(de)優勢(shi)，比(bi)如(ru)直接(jie)對細(xi)胞組裝(zhuang)、精(jing)準構造組織(zhi)結(jie)構(gou)、靈(ling)活(huo)可控(kong)以及(ji)操(cao)作簡(jian)便(bian)。這項研究展(zhan)現了對(dui)生(sheng)物(wu)墨(mo)水(shui)打(da)印(yin)之(zhi)外對微(wei)觀介質(zhi)構建(jian)的能力(li)，從(cong)新(xin)的(de)維(wei)度提出了壹(yi)種創新(xin)的(de)技術路線(xian)。