供稿人：劉巖、李驍 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-12-15
源自人類誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的工程化心臟組織 (ECT) 是心臟修復(fù)、患者特定疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)的可行替代方案。然而，ECTs的未成熟狀態(tài)限制了它們的臨床應(yīng)用。因此，為了整合組織的三維特性以及心肌的特征形態(tài)，使用具有與天然心肌相似的三維高度有序微結(jié)構(gòu)和特征尺寸的支架可能是促進(jìn) ECTs成熟的潛在方法?；陔娏黧w動力學(xué) (EHD) 的3D打印方法，被認(rèn)為是創(chuàng)建具有明確體系結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜和多組分結(jié)構(gòu)的有效選擇。由于傳統(tǒng) EHD打印的固有機(jī)制，實現(xiàn)具有細(xì)胞特征尺寸的3D高度有序微結(jié)構(gòu)仍然是一個重大挑戰(zhàn)。
青島理工大學(xué)Zhang Guangming等人報告了一種制造可促進(jìn)ECTs成熟的微結(jié)構(gòu)的策略，利用電場驅(qū)動（EFD）打印了具有細(xì)胞特征尺寸的3D高度有序微結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)ECTs的成熟。這些微結(jié)構(gòu)在心臟組織工程中的潛在應(yīng)用表明3D打印支架在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在適用性及其促進(jìn)心肌細(xì)胞成熟的能力。
圖 1 顯示通過EFD噴射微尺度3D打印，對具有單元特征尺寸的聚乳酸的3D高度有序微觀結(jié)構(gòu)的制造過程。與傳統(tǒng)的帶有兩個電極的EHD噴射打印不同，EFD打印系統(tǒng)取消了接地電極。因此，EFD射流微尺度印刷中驅(qū)動電場的產(chǎn)生方法主要是基于噴嘴尖端與基板/印刷結(jié)構(gòu)頂表面之間的電荷極化。制造過程分為三個步驟: 第一步是在精確沉積的情況下打印具有臨界纖維間距的單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。EFD打印克服了射流斥力，使導(dǎo)電基材和絕緣基材上都發(fā)生了射流吸引；第二步是進(jìn)一步減小印刷網(wǎng)格的纖維間距。采用對稱路徑方案在先前打印的兩根相鄰纖維的中間進(jìn)行打印，平衡了靜電力對射流的影響，從而使射流垂直向下定向到基材上，并按照預(yù)定路徑精確沉積；第三步是3D打印多層微結(jié)構(gòu)。
圖1 EFD打印原理
將hiPSC-CMs在三維高有序結(jié)構(gòu)(纖維直徑為20 μm，纖維間距為80 μm)的支架中培養(yǎng)，形成定向ECTs結(jié)構(gòu)，心肌細(xì)胞沿聚乳酸纖維呈高度排列和排列的微結(jié)構(gòu)。免疫細(xì)胞化學(xué)染色顯示3D打印支架促進(jìn)了ECTs的定向，其長軸沿肌原纖維規(guī)律排列。此外，支架中發(fā)育的ECTs具有同步功能，其特征是鈣成像具有同步傳輸、協(xié)調(diào)頻率和相似振幅，并證明ECTs中鈣處理效率高的參數(shù)。結(jié)果表明，在這樣的纖維直徑和較小的纖維間距下，3D打印高度有序的微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了ECTs的成熟。
圖2 3D打印支架引導(dǎo)hiPSC-CMs對齊以開發(fā)定向的ECTs
本文展示了一種新的基于電場驅(qū)動的打印策略，制備出纖維直徑為10-20μm、纖維間距為60-80μm的三維高度有序微結(jié)構(gòu)，纖維直徑/間距比最大可達(dá)0.29。EFD微尺度打印工藝有利于支架的制備，為促進(jìn)ECTs成熟提供了合適的微環(huán)境，在心臟組織工程中具有一定潛力。