壓電噴墨打印3D肺泡屏障模型與生理相關微結構-技術前沿-資訊-生物在線

壓電噴墨打印3D肺泡屏障模型與生理相關微結構

作者：上海睿度光電科技有限公司 2021-08-04T00:00 (訪問量:29782)

 

在生物打印技術中，壓電噴墨（Inkjet）生物打印最適合重建薄而復雜的軟組織特征。因為其按需打印方法具有分辨率高、印刷速度快、高細胞活性、材料浪費低等優勢。基于噴墨的生物打印機可噴射典型體積為1~100pL的微液滴（MicroFab的Inkjet噴墨技術可實現≥0.1pL的微液滴），可對活的哺乳動物細胞進行微圖案化。

 

隨著新呼吸道病毒的爆發和肺部疾病的高死亡率，迫切需要人類呼吸系統的生理相關模型來研究疾病發病機制、藥物療效和藥理學。生物打印技術是可用于制造復雜結構的3D組織模型的新興技術之一。生物打印可以3D方式自動沉積細胞和生物材料，實現組織模型的高度控制和定制生產。生物打印組織工程可以為體外藥物篩選和毒性研究提供更精確的模型。在生物打印技術中，壓電噴墨生物打印最適合重建薄而復雜的軟組織特征。這是因為按需打印方法具有分辨率高、打印速度快、高細胞活性、材料浪費低等生物打印技術的優勢?；趪娔纳锎蛴C在其噴頭中包括一個壓電制動器，在電脈沖下在墨水腔內產生聲波，以噴射典型體積為 1~100 pL（10-12L）的非常小的液滴（MicroFab噴墨技術可實現≥0.1pL的微液滴），噴墨打印的這種能力已被證明能夠在2D和3D環境中以高精度和速度對活的哺乳動物細胞進行微圖案化。
 
浦項科技大學相關研發團隊在“All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture”（發表于《Advanced Science》）報告了一個全噴墨打印的肺泡屏障模型，其具有上皮和內皮的功能層，中間有膠原基底膜。四種類型的人類肺泡細胞的高分辨率圖案，即NCI-H1703（肺上皮I型細胞）、NCI-H441（肺上皮II型細胞）、HULEC-5a（肺微血管內皮細胞）和MRC5（肺成纖維細胞）以及I型膠原蛋白，通過按需噴墨打印自動高分辨率沉積肺泡細胞，能夠制造出厚度達到前所未有的≈10μm的三層肺泡屏障模型。結果表明，與傳統的2D細胞培養模型相比，3D結構模型更好地再現了肺組織的結構、形態和功能，而且與肺泡細胞和膠原蛋白均勻混合的3D非結構模型相比，3D結構模型更好地再現了肺組織的結構、形態和功能。按需應變噴墨打印技術是一種實現個性化、可擴展制造、尺寸和生長標準化的技術，相信這種3D肺泡屏障模型可以作為病理學和制藥學應用中傳統測試模型的替代方法。

肺泡屏障模型的噴墨生物打印

▲ 圖1   肺泡屏障模型的制作。a）鬼筆環肽染色的人肺泡細胞系的共聚焦熒光顯微鏡圖像。肌動蛋白呈紅色，細胞核呈藍色。比例尺：50µm。b）制作肺泡屏障模型的噴墨打印工藝示意圖。所有細胞均采用噴墨打印，逐層打印。此圖像是使用BioRender創建的。
圖1顯示了肺泡細胞系的類型和用于制造超薄三層肺泡屏障模型的噴墨打印工藝。以人肺細胞系NCI-H1703為扁平鱗狀上皮AT I，NCI-H441為立方形AT II，內皮細胞 HULEC-5a和MRC5為成纖維細胞。圖1a中的共聚焦熒光顯微鏡圖像顯示了每種細胞類型的形態。通過這些細胞和膠原蛋白的精確噴墨打印完成了薄的三層肺泡屏障模型的制作（圖1b）。在transwel滲透性支持物中，內皮細胞墨水、膠原蛋白墨水和含有成纖維細胞的膠原蛋白墨水以逐層方式依次打印。內皮細胞墨水首先噴墨打印到transwel插入物的多孔膜上。孵育24小時后，將膠原蛋白和載有成纖維細胞的膠原蛋白墨水印在內皮層的頂部。在培養箱中將膠原蛋白完全交聯24小時后，將數量為1:2的AT I和AT II上皮細胞均勻地沉積在下層。除膠原基油墨在4°c的溫度下印刷以防止其在噴射過程中發生交聯外，其余印刷過程均在室溫下進行。采用全噴墨打印的肺泡模型，將肺泡上皮暴露于空氣中培養14天，并對其結構和生理功能進行進一步評價和分析。
 

噴墨細胞打印工藝優化

首先，課題組為每種細胞類型開發了可靠的噴墨工藝。NCI-H1703、NCI-H441和HULEC-5a細胞的生物油墨水在細胞生長介質中制備，MRC5細胞被懸浮在稀釋的膠原蛋白墨水中。圖2a顯示了生物墨水的單閃光噴射圖像。所有的生物墨水都用80μm大小的壓電噴嘴噴射出來，噴射速度為3ms-1。精確調整的雙極演化波形和氣動壓力使細胞液滴具有高分辨率和穩定性的模式。在所有的實驗中，其上升、下降和停留時間被設定在10μs左右，峰值驅動電壓為±80V。

▲ 圖2   優化噴墨生物打印參數。a）用直徑為80μm的壓電噴嘴對人體肺泡細胞進行噴墨打印的單閃光圖像。比例尺：100μm。b）代表圖像，8×8個細胞液滴陣列印在玻璃基板上，間距為500μm。小圖：放大2×2陣列。c）32×32陣列中每個液滴的平均細胞數。

接下來，課題組檢查了單個pL級液滴中的打印細胞數量，以控制沉積在每層肺泡組織上的細胞的準確數目。為此，研究人員在玻璃基板上打印了32×32液滴陣列，每種細胞類型的濃度為3×106和6×106個細胞mL-1。圖2b顯示了具有代表性的8×8打印細胞圖像。在圖2c中，顯示了每種細胞類型的用一滴彈出的平均細胞數 。在放大的2×2陣列圖像中，細胞生長培養基墨滴中的細胞比膠原蛋白墨水少。在計算每個液滴上平均攜帶的細胞數量（圖2c）時，課題組發現當細胞生長培養基墨水中的濃度為6×106個細胞mL-1時，大約有一個細胞被打印在液滴中。對于稀釋的膠原蛋白墨水，以3×106個細胞mL-1的濃度打印單個細胞。課題組根據這些條件確定了每種細胞墨水的濃度，以制造分辨率高、精度高的3D肺泡模型。
 

噴墨打印細胞的可行性評估

為了研究通過微米大小的噴頭噴射對細胞活力和增殖的任何潛在影響，課題組在打印后立即進行了LIVE/DEAD檢測和7天的CCK-8檢測。圖3a顯示了通過分析染色鈣黃綠素乙酰氧基甲酯（綠色、活細胞）和溴乙啡錠二聚體1（紅色、死細胞）的細胞群而獲得的細胞活力。結果表明，打印組的細胞存活率高達>90%，接近手動移液對照組的值。在這項研究中，所有人類細胞類型的存活率都很高。圖3b顯示了打印和對照組在一周內每個細胞系的增殖率。在實驗中，打印細胞組跟隨著移液器對照組的生長趨勢，沒有觀察到任何明顯的細胞死亡，表明噴墨生物打印對正在使用的肺泡細胞沒有不利影響。
 
▲ 圖3   打印后細胞生存能力測試。a）執行LIVE/DEAD檢測，以確定打印后細胞的可行性（n=3）。b）執行CCK-8檢測以評估打印后7天的細胞增殖（n=3）。
 

噴墨生物打印系統

使用基于壓電打印方法的按需噴墨（DoD）噴墨生物打印系統（Jetlab Ⅱ; MicroFab, TX, USA），生物墨水以液滴形式噴射，包括x-y直線電機和一個±2μm高分辨率的z軸（噴頭沿z軸移動）。采用80μm直徑的噴墨打印噴頭（MJ-ATP-01-80; MicroFab）。系統中的儲墨器和噴嘴的溫度由一個帶有冷凍循環槽的集成冷卻系統精心控制。與電壓施加相關的參數被調整以控制液滴的大小和直線度。通過±80V的JetDrive™控制器（MicroFab）給壓電元件施加雙極性電壓波形，其上升、停頓和下降時間分別為≈10μs。將液滴速度調整到3ms-1。x-y運動平臺的速度和加速度分別為15mms-1和500mms-2。單元陣列和模式是從單色位圖圖像中打印出來的。通過控制打印液滴的數量、生物墨水的細胞濃度以及液滴之間的距離，可以調整要打印的細胞數量。為了防止細胞在打印過程中沉淀，每隔10分鐘移液一次重新懸浮充滿細胞的墨水。

參考文獻：

[1] Kang D ,   Ju A P ,   Kim W , et al. All‐Inkjet‐Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture[J]. Advanced Science, 2021.

上海睿度光電科技有限公司 商家主頁

地 址： 上海市楊浦區翔殷路128號上海理工大學國家大學科技園1號樓B座327

聯系人： 周一

電 話： 021-51816409

傳 真：

Email：service@rd-mv.com

相關咨詢

浙大楊華勇院士團隊生物軟材料的順序交聯式液滴對撞噴墨3D打印工藝 (2025-05-27T00:00 瀏覽數:36255)

MicroFab Inkjet噴墨打印技術助力無損抗炎新突破 (2025-05-02T00:00 瀏覽數:38495)

噴墨打印技術制備藥物-聚合物復合顆粒用于浮動給藥系統 (2025-04-11T00:00 瀏覽數:37701)

噴墨打印技術打造新一代柔性腦機接口實現高精度神經信號采集 (2025-03-28T00:00 瀏覽數:35243)

MicroFab 高精度雙噴頭反應性噴墨（RIJ）3D打印高活性有機硅 (2024-11-08T00:00 瀏覽數:35617)

通過墨水循環改善生物噴墨打印中的細胞分布均勻性 (2025-01-16T00:00 瀏覽數:41727)

MicroFab Inkjet噴墨打印制備人體皮膚等效物在體外免疫診斷的應用 (2024-09-06T00:00 瀏覽數:49205)

一種用于佩戴式精確血糖監測的熱激活差動自校準柔性表皮生物微流體裝置 (2021-02-25T00:00 瀏覽數:42289)

噴墨打印技術在生物傳感器上的應用 (2021-03-02T00:00 瀏覽數:42333)

噴墨打印技術在疾病診斷上的應用 (2021-04-21T00:00 瀏覽數:39451)

ADVERTISEMENT