本方案描述了一种3D打印技术,通过在明胶基颗粒支撑材料中沉积磷酸钙墨水来制备类似骨组织的结构。所打印的骨类似物可实现自由成形,并具有灵活性,既可直接取出打印产物,也可在含活细胞的基质中进行交联,以构建多相复合结构。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案描述了一种3D打印技术,通过在明胶基颗粒支撑材料中沉积磷酸钙墨水来制备类似骨组织的结构。所打印的骨类似物可实现自由成形,并具有灵活性,既可直接取出打印产物,也可在含活细胞的基质中进行交联,以构建多相复合结构。
从结构上看,骨组织是一种无机-有机复合材料,其中包含嵌入在具有层级结构的高矿化基质中的代谢活跃细胞。由于骨组织环境具有异质性,这种结构难以复制。基于细胞悬浮液的陶瓷全向生物打印技术(COBICS)是一种基于微凝胶的生物打印方法,能够独特地复制骨组织的矿化成分和细胞结构。COBICS能够在无需牺牲性支撑材料或剧烈后处理步骤(如辐射和高温烧结)的情况下,打印出复杂且具有生物学意义的结构,而这正是骨仿生结构增材制造中面临的两大主要挑战。该技术通过在明胶基微凝胶悬浮体系中自由挤出一种新型磷酸钙基油墨来实现。该悬浮体系的屈服应力特性可支持打印结构的沉积与维持。随后通过紫外光交联和纳米沉淀过程将其“固定”到位。在含细胞生物材料中直接打印纳米结构的骨仿生陶瓷,实现了对宏观与微观结构的时空精确控制,并有助于在临床环境中实时构建复杂的骨组织结构。
骨骼是体内少数能够通过重建其正常细胞组成、排列方向和力学强度来实现自我修复的结构之一,具有显著的再生能力,但这种能力仅在达到临界缺损尺寸之前有效,超过该尺寸后内源性愈合能力将受损1。骨骼与软骨和韧带共同作用,支撑并促进身体运动,同时还储存矿物质和脂肪,并生成血细胞。作为一种坚硬致密的结缔组织,骨骼主要由无机相、水以及以胶原纤维为主的有机成分构成2。细胞嵌于由I型胶原纤维和羟基磷灰石(HA)晶体组成的高度矿化基质中,形成一种层级结构3。
该组织复杂的结构使得构建能够复制异质性骨组织微环境和纳米环境的合成替代物极具挑战性3。为此,已有多种材料被提出用于构建骨基质,包括生物陶瓷、含细胞水凝胶以及合成材料。在支架制备技术中,基于3D打印的技术近年来崭露头角,并因其能够制造高度复杂且精确的结构,在组织工程领域受到广泛关注,展现出实现个体化治疗的巨大潜力4,5,6。水凝胶由于可与细胞及生物活性分子共同打印,生成具有功能性的结构,因而成为基质模拟物和生物墨水的首选6。然而,水凝胶缺乏骨组织的功能特性,例如机械强度以及含有代谢活跃细胞的高度钙化无机相。
3D打印陶瓷支架通常需要进行后处理步骤,包括烧结、高温处理或使用强腐蚀性化学试剂,这些试剂在使用前必须彻底清洗干净 体外 或 体内 应用5为了解决这些局限性,Lode 等人7 最近开发出一种以羟基磷灰石形成的磷酸三钙-α基糊状物,可在生理条件下打印并固化。然而,该材料仍无法与活细胞共同打印,因其需要在潮湿环境中进行后处理,并随后长时间浸入水溶液中。
或者,已有研究提出将含有无机颗粒的细胞负载型水凝胶作为三维骨基质的替代物8,9尽管它们具有显著支持细胞存活的能力,但无法重现高度矿化的骨组织环境。Thrivikarman 等10 采用了一种仿生方法,使用过饱和的钙和磷酸盐溶液,并结合非胶原蛋白类似物,以更好地模拟纳米级羟基磷灰石的沉积。然而,他们的构建物仍无法生成具有类似骨组织的微米和宏观结构的刚性三维构建物。
本研究通过开发一种打印策略来解决上述不足,该策略可制造出具有无机相和有机相的仿骨结构,能够同时整合细胞和生长因子11。COBICS 利用基于微凝胶的生物打印技术,独特地重现了骨的矿物成分和细胞结构。本文所述方案详细介绍了陶瓷骨墨和明胶基微凝胶的合成过程,并进一步结合细胞以实现 COBICS。该过程首先合成骨墨的主要前驱材料,随后合成可交联水凝胶并将其制成微凝胶;最后,在负载细胞的微凝胶支撑浴中以多向方式沉积骨墨(图 1)。
骨墨可打印至任何具有合适屈服应力特性的微凝胶悬浮液中,即在特定剪切速率下能够液化并随后支撑所沉积结构的悬浮液。已有两种灵活的方法被证实可行:一种为明胶微凝胶悬浮液,另一种为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)微凝胶悬浮液。前者悬浮液在温度升高时会溶解 37 °C自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶(FRESH)技术12,而后者可在打印后进行光交联,有效“缝合”微凝胶并固定打印的骨墨。本研究重点采用 GelMA 作为基质,因其具有支持细胞生长的独特优势 原位 打印复杂的仿生骨结构。最终,该方法能够生成具有高度生物模拟特性的复杂组织模型,对疾病建模、药物发现和再生工程具有广泛意义。

图1:工作流程示意图。 (A)骨墨的合成始于α-磷酸三钙(α-TCP)的制备,随后将其与甘油、聚山梨酯80和磷酸氢二铵混合。(B)采用水包油乳化法制造GelMA微凝胶。所得微凝胶随后(C)进行水合,并(D)与细胞混合。将细胞-微凝胶复合物作为颗粒浴,用于沉积骨墨。(E)整个结构经紫外光交联后,转移至培养箱中进行培养。缩写:α-TCP = α-磷酸三钙;GelMA = 甲基丙烯酰化明胶。请点击此处查看此图的高清版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 骨标记物的制备
2. 制备用于打印的微凝胶悬浮液
| 公式 | |
| x = 干微凝胶的质量(mg) | |
| DMEM 中 1% w/w GelMA 的体积,a (µL) | a = 21.93x |
| DMEM 的体积,b (µL) | b = 8.773x |
| 2.5% w/w LAP 溶液的体积,c (µL) | c = 0.6267x |
| 生成的微凝胶悬浮液总体积 (µL) | a + b + c |
表1:用于计算水合 GelMA 微凝胶悬浮液所需试剂体积的公式。缩写:GelMA = gelatin methacrylate;LAP = lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate。

图 2:用于微凝胶合成的油包水乳液法示意图。 双层烧杯装置显示,装有搅拌乳液(以箭头表示)的烧杯置于更大的烧杯内,以便实现冷却。缩写:GelMA = gelatin methacrylate 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 将骨墨打印至细胞悬液中
注意:基于明胶的微凝胶支持多种不同类型细胞的黏附,因此该方法适用于在微凝胶基质中培养单个或多个细胞。本实验方案以脂肪来源的间充质干细胞(ADSCs)为例进行描述,因为这类细胞是肌肉骨骼组织工程中常用且性能稳定的细胞类型。

图 3:COBICS 工艺示意图,展示微凝胶的水合过程、细胞的引入,以及在含细胞的微凝胶悬浮液中后续打印骨墨的过程。 缩写:COBICS = 细胞悬浮液中的陶瓷全向生物打印(ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions);GelMA = 明胶甲基丙烯酰(gelatin methacrylate)。 请点击此处查看该图的高清版本。
4. 细胞活力与增殖评估
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
COBICS 能够打印复杂且具有生物学意义的结构,无需使用牺牲性支撑材料或苛刻的后处理步骤(例如辐射和高温烧结),而这正是骨仿生结构增材制造中最大的两个挑战。为了展示 COBICS 形成复杂骨结构的能力以及在微凝胶悬浮液中共打印细胞的效果,研究人员拍摄了由骨墨水制成的类骨复合材料的代表性图像,并对 ADSC 在 COBICS 中长达 7 天的存活率进行了半定量分析。图 4 展示了通过将骨墨水沉积到由明胶微凝胶组成的支撑浴中来制造复杂类骨结构的能力,该支撑浴表现为非牛顿流体,在高剪切应力下会像粘性流体一样开始流动的固体。随后可将打印出的结构从粘性浴中分离出来(图 4A、B)。
用于制备图4中仿骨结构的打印机为配备定制挤出装置的多喷头打印机。将1 mL骨墨装入3 mL打印注射器中,并安装至挤出装置内。所用所有针头的内径为0.2–0.8 mm。通过CAD建模软件建立仿骨结构的计...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
COBICS 3D 打印技术的开发旨在通过将材料挤出至含有活细胞的可交联微凝胶悬浮液中,实现矿化类骨结构的构建。该技术已应用于一种可降解的微凝胶悬浮体系,细胞在其中表现出良好的存活率、铺展能力以及成骨分化潜能11。使用该技术构建结构成功的关键因素之一,在于基于α-TCP的骨墨水的正确合成。首先,α-TCP的形成高度依赖于适当的温度控制。为了获得正确相态的磷酸三钙,必须在反应温度从1,400–1,200 °C下降过程中,在其跨越相界进入β-TCP相区之前迅速淬冷14。可通过X射线衍射分析确认所得产物为单相α-TCP。随后,将所有骨墨水前体材料按正确比例混合,对于形成具有理想流变特性、适合挤出打印、凝固时间及纳米-微米结构形成的骨墨水至关重要。由于 GelMA 微凝胶悬浮液可通过光交联实现打印结构的"锁定",因此可调节前体材料的比例以适配所使用的3D打印机。然而,强烈建议进行充分测试,以确保这种调整不会损害该技术的整体完整性。
在 GelMA 合成过程中,一个关键的考虑因素是...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明不存在任何需要披露的利益冲突。
作者感谢澳大利亚国家健康与医学研究委员会(资助号:GNT1111694 和 GNT1141602)以及澳大利亚研究理事会(资助号:FT180100417、FL150100060 和 CE14100036)提供的支持。作者感谢新南威尔士大学生物医学成像设施。图示使用 Biorender.com、Adobe Photoshop 和 Adobe Illustrator 制作,并通过付费订阅导出。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D打印机挤出机 | Hyrel3D | EMO-25 | |
| 50 mL离心管 | Falcon | BDAA352070 | |
| 无水乙醇 100% 变性 | Chem-Supply | ||
| 丙酮 | Chem-Supply | 154871 | |
| 氧化铝坩埚 | Coors | ||
| 磷酸氢二铵 (NaHPO4) | Sigma | A5764 | |
| Autodesk Fusion 360 | Autodesk | ||
| 二级生物安全柜 | |||
| 碳酸钙 | Sigma | 239216 | |
| 磷酸氢钙 (CaHPO4) | Sigma | C7263 | |
| 细胞培养瓶 | Corning | 使用多种规格 | |
| 纤维素透析管,截留分子量14 kDa | Sigma | D9777 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5430R | |
| 离心机 | Sigma | 3-16KL | |
| 点样针头,23 G | Nordson | 7018302 | |
| DMEM,低糖,含丙酮酸钠 | Thermo Fisher | 11885084 | |
| 不含钙、镁的DPBS | Thermo Fisher | 14190144 | |
| 升降炉 | Labec | ||
| Engine HR多头打印机 | Hyrel3D | ||
| 胎牛血清 | Bovogen | ||
| 明胶A型,来源于猪皮 | Sigma | G2500 | |
| 通用不锈钢针头 | Nordson EF | ||
| 甘油 | Sigma | G9012 | |
| 人脂肪来源干细胞 | ATCC | PCS-500-011 | |
| LSM 800共聚焦显微镜 | ZEISS | ||
| 冷冻干燥机(Alpha 1-4 LDplus) | Christ | 101541 | |
| 磁力加热搅拌器 | |||
| 甲基丙烯酸酐 | Sigma | 276685 | |
| Mini 2桌面式3D打印机 | LulzBot | ||
| Parafilm封口膜 | Parafilm | PM996 | |
| 青霉素-链霉素 | Thermo Fisher | 15140122 | |
| 行星式球磨机 | |||
| 行星式球磨机研磨罐 | |||
| 聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯 Tween-80 | Sigma | P6224 | |
| 扫描电子显微镜 | FEI Nova NanoSEM 450 FE-SEM | ||
| Kimtech科学级精密擦拭纸 | Kimtech | 18813156 | |
| 不锈钢标准试验筛 | |||
| 葵花籽油 | Community Co | ||
| 含酚红的0.25%胰蛋白酶-EDTA | Thermo Fisher | 25200056 | |
| ZEN显微镜软件 | ZEISS | ||
| 哺乳动物细胞活/死细胞活力/细胞毒性检测试剂盒 | Invitrogen | L3224 | |
| DMEM,低糖,不含酚红 | Thermo Fisher | 11054020 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。