供稿人:徐維維 高琳 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-07-20
許多天然組織都具有高度排列的細胞結(jié)構(gòu)，體外設(shè)計具有類似功能的人工組織類似物也需要高度排列的細胞結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)相應(yīng)生物學功能。西安交通大學制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室以及西安交通大學陜西省快速制造研究中心團隊提出通過將細胞-膠原蛋白混合懸液澆鑄到預(yù)先設(shè)計好的基于電流體動力學印刷的微晶格中來引導3D細胞定向排列，且利用該技術(shù)設(shè)計的高度對齊的功能性心臟結(jié)構(gòu)顯示出同步的收縮活動，表現(xiàn)出成熟的心肌特異性。
圖 1 電流體動力印刷的微晶格的示意圖和特征
傳統(tǒng)細胞定向方法例如機械拉伸、表面化學處理等方法局限于二維細胞的排列；而利用光、電等體外刺激引導細胞排列，也只能實現(xiàn)單向細胞排列，難以實現(xiàn)復雜的3D結(jié)構(gòu)中細胞的有規(guī)律排列。
電流體動力學印刷的3D納米結(jié)構(gòu)具有纖維取向靈活的特點，而結(jié)合了水凝膠的電流體動力學印刷的超細纖維表現(xiàn)出了與天然組織相似的生物力學價值。因此西安交通大學研究團隊利用電流體動力印刷的微纖維結(jié)構(gòu)以及載有細胞的水凝膠組合，產(chǎn)生具有高度取向性的體外人工組織。利用電流體動力學印刷的微晶格引導3D多方向細胞排列的方法，在預(yù)先設(shè)計的微晶格中的活細胞和膠原纖維均均勻地逐漸遷移到微晶格間距的中心區(qū)域，并沿打印微晶格的縱向方向伸長以形成密集且高度對齊的細胞帶。
圖 2 彎曲微晶格內(nèi)的細胞排列以及多種細胞類型的排列
此外，當設(shè)計微晶格并以層特定的細絲方向進行電流體動力印刷時，可在3D膠原蛋白水凝膠內(nèi)實現(xiàn)多方向細胞排列，為設(shè)計和實現(xiàn)復雜3D結(jié)構(gòu)中的細胞高度定向排列提供了可能。
該技術(shù)巧妙結(jié)合現(xiàn)有研究特性，3D結(jié)構(gòu)中細胞的高度排列得以實現(xiàn)，由于細胞排列受電動流體動力學印刷的特征所影響的，因此可以通過改變微晶格結(jié)構(gòu)來靈活地調(diào)整細胞取向的方向，且可以廣泛適用于多種類型的細胞，包括無任何外部刺激的原代心肌細胞。對細胞和膠原纖維的動態(tài)排列過程的微觀研究有助于探索高度排列的細胞帶自主形成的機制。該技術(shù)也可以為工程學中復雜的體外3D組織提供細胞高度定向方法，在組織工程和再生醫(yī)學中具有許多潛在應(yīng)用。