3D打印组织模型：从水凝胶到生物医学应用(2)
时间：2023-11-29 09:17 来源：GK绿钥生物科技 作者：admin 阅读：次
作者随后就对水凝胶特性的控制做了描述。ECM在细胞命运中的指导性作用不仅取决于材料的物理性质，还取决于其化学成分以及提供特定相互作用和信号级联的不同生物分子的存在。因此，功能性ECM模拟物的开发必须包括此类生物活性因子，其含量、浓度和梯度将改变构建体的功能。聚合物分子的片段，特别是肽序列（如RGD）以及效应蛋白（如生长因子或酶）。它们的作用是多方面的，包括正确的细胞基质粘附，对细胞存活至关重要，与细胞受体（整合素、选择素等）相互作用以启动信号级联，甚至是诱导功能变化的酶促过程。
随后，作者描述了将天然ECM生成功能化ECM模拟物最具创新性的方法是将天然ECM或将其特定蛋白片段加入可打印的生物墨水聚合物中。
图5 A：猪（p）和牛（b）来源的脱细胞组织用H&E染色。去除细胞物质后残留的脱细胞细胞外基质呈粉红色。B：在铣削前扫描每种脱细胞组织类型的电子图像，突出显示独特的多孔和纤维结构。C：铣削产生的用于生活用纸制造的dECM粉末的扫描电子图像。
表4 ECM 模拟使用dECM生成的
将dECM 与其他聚合物结合使用的最有前途的方法学方法（表5）。De Santis等人报道了基于dECM增强的藻酸盐的可打印生物基质的合成; Pati等人利用分别从猪软骨和心脏获得的dECM来生产不同3D结构的生物墨水。如图6所示，作者分别使用心脏dECM（hdECM）、软骨dECM（cdECM）和脂肪dECM（adECM）与聚己内酯（PCL）相结合，制作了心脏构建体、软骨构建体和脂肪构建体。所有获得的构建体都允许产生具有增加均匀细胞分布的组织类似物，并具有脂肪生成和软骨生成潜力。Kim等人提出了用明胶强化猪肝dECM的方法，该团队将开发的dECM粉末基生物墨水（dECM pBio-ink）与明胶和dECM基墨水（图6 ii）进行了比较，结果相比dECM更具有可观的机械性能以及与内皮细胞和原代肝细胞的生物相容性。对dECM组分进行了功能化能更好地控制dECM增强油墨的降解速率和力学性能。
图6 i：由dECM和PCL制成的载细胞结构用作生物墨水；ii：显微镜图像 （比例尺：200 μm）和测量的形状保真度具有不同孔径的2% dECM pBio-ink的打印晶格图案。3种生物油墨的肝形结构打印效果；iii：开发肾小球前模型。
图7 i:纤维蛋白脑模拟生物墨水与3D工程打印可灌注血管网络集成; ii:3D生物打印许可复制基于光交联肝脏dECM的水凝胶
作者继续描述了关于生物3D打印模型的应用相关内容。3D打印技术的进步以及对病理和健康状态下ECM特征的了解的增加，使得生物打印结构能够更好地模拟组织的形态、生化和功能特征。在体外建模中，重现人体细胞的3D组织模型，控制其物理和生物分子特性，并确定相关细胞命运的能力，将极大地有助于我们了解几种疾病发病机制中的关键参与者。生物3D打印在再生医学中的应用是一个有吸引力和挑战性的话题。生物3D打印在再生医学中的应用主要集中在骨软骨和心血管疾病上（表6）。
表5 通过生物打印获得的组织和体外模型的例子
即使组织可扩展性和功能性仍然是一个开放的挑战，建立具有可定制形态的多细胞结构的能力对于功能性组织和器官替代品的生成是有利的。该领域的新趋势包括直接在体内进行的生物3D打印，手术中生物打印（IOB）或原位生物打印对软骨、皮肤和骨骼在内的不同组织具有明显的成效。Albanna等人将生物3D打印系统应用于小鼠和猪模型中的自体或同种异体真皮移植。在这里，研究人员将真皮成纤维细胞加入至牛纤维蛋白和I型胶原水凝胶中，并在真皮层受伤的部位中进行逐层生物打印，促进皮肤再生。即使作者观察到早期形成的真皮层和成熟的真皮层之间存在差异，但所提出的方法也为具有高转化潜力的新治疗机会开辟了道路（图8）。
图8：皮肤生物打印机原型和原位生物打印概念：i：演示皮肤生物打印机规模的示意图; ii：系统的主要组成部分;iii：皮肤生物打印概念; iv和v皮肤生物打印过程的例子
总结：3D打印和生物打印工艺正在成为适用于不同生物医学领域的强大技术。在再生医学领域，这些技术允许开发更准确和功能更强大的3D组织模型，甚至是可用于先进的生物测定和个性化药物测试的器官模拟。该文章中的许多应用和未来富有想象力的应用，包括功能器官的复制。挑战在于能够合理化细胞命运与ECM结构的许多变量之间的相关性，以及在3D模型中准确再现各种结构和生物分子特征的能力。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.01.048
(责任编辑：admin)
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