水凝胶，最新Nature Materials！

水凝胶是很有吸引力的组织工程材料，但迄今为止的研究表明，产生促进细胞自组织成分层3D器官模型所需的微结构特征的能力有限。在这里，哈佛大学Kevin Kit Parker团队开发了一种含有预制明胶纤维的水凝胶墨水，用于打印3D器官水平的支架，概括了心脏的细胞内和细胞间组织。将预制明胶纤维添加到水凝胶中，可以调整油墨的流变性，从而实现受控的溶胶-凝胶过渡，从而实现独立3D结构的精确打印，而不需要额外的支持材料。在墨水挤出过程中，剪切诱导的纤维排列提供了微尺度几何线索，促进体外培养的人心肌细胞自组织成各向异性肌肉组织。由此得到的3D打印的体外脑室模型具有仿生、各向异性、电生理和收缩特性。该研究以题为“Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles”的论文发表在《Nature Materials》上。

【打印的3D水凝胶支架提供微尺度各向异性】

该研究制造了纤维注入凝胶(FIG)墨水，用于打印由明胶纤维和Gel-Alg水凝胶组成的3D支架。通过旋转喷射纺丝生产的明胶纤维被超声波处理截断至长度为85.9±2.53 μm，直径为4.20±0.23 μm。然后，用N-(3-二甲基氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)和纤连蛋白对纤维进行化学交联。与Gel-Alg水凝胶不同，3D打印因其流动性而受到限制，将8 wt%的预制明胶纤维掺入Gel-Alg水凝胶中，使水凝胶成为主要弹性凝胶。能够打印具有广泛设计参数、可重复性和准确性的心室的3D 结构。更复杂的结构，例如心脏瓣膜、双腔心脏和具有不同角度方向的左心室，也可以使用FIG墨水打印。凝胶状FIG油墨的高弹性模量提供了足够的凝胶稳定性。

【注入纤维的凝胶支架可增强细胞排列】

为了评估FIG打印支架增强心肌细胞的细胞内和细胞间组织、肌原纤维组织和排列的能力，该研究首先将新生大鼠心室心肌细胞(NRVM)接种在打印的二维(2D)FIG支架。这导致了高度排列的心脏组织的形成，其相对于多形性培养条件保留了相当的细胞活力。然后，通过计算取向顺序参数(OOP)来测量结构组织的各向异性程度，该参数量化了代表细胞内和细胞间组织的肌节α-肌动蛋白和细胞骨架肌动蛋白丝(F-肌动蛋白)的排列。在此，与对照Gel-Alg 相比，FIG支架上的组织的肌节和F-肌动蛋白OOP值均显着较高。因此，细胞内和细胞间的细胞骨架结构产生的预应力决定了核的伸长和方向。与对照Gel-Alg支架上的细胞核相比，FIG支架上的细胞核被拉长，而对照Gel-Alg支架上的细胞核保持相对圆形。

【FIG上的心脏组织再现了功能的各向异性】

由于沿纵轴的快速传导和间隙连接处的细胞间传导，心脏脉冲在对齐的心脏组织中沿纵向传播的速度大约是横向方向的两倍。该研究使用光学测绘来测量钙 (Ca2+) 瞬态传播，作为沿相对于打印方向的纵轴和横轴的心脏冲动传导的指标。该研究通过计算纵向与横向传播速度比来评估各向异性传播。相比之下，没有纤维的对照支架上的 NRVM 组织表现出接近一致的传播速度比，表明它们具有各向同性。FIG支架上的心脏组织也在6厘米蛇形图案上传播Ca2+波，证明了沿打印方向的强大电耦合。

此外，每个FIG方向都会产生不同的收缩模式，例如分别滚动、扭曲和折叠。心肌细胞沿打印方向的优先机电耦合能够响应电刺激而发生循环变形。一个支架中的交替排列方向还表明，心肌细胞组织遵循局部纤维方向，从而产生相应的局部组织收缩模式。这使得能够控制局部动态收缩运动，类似于心室周围层状肌的运动。

【工程3D心室模型表现出循环收缩性】

考虑到有效控制组织排列以及机电耦合的能力，该研究思考是否可以在体外构建3D心室形状的心脏组织，其中3D几何结构将诱导同步收缩泵送运动，如人类心脏中所见。因此，在 3D打印的心室支架上培养NRVM和hiPSC-CM，并采用圆周纤维排列，形成3D心室形状的层状各向异性心脏组织。体外心室模型在培养中维持14天，自发搏动率约为每秒0.71次。这表明支架在超过 800,000 次机械负载循环后具有耐用性，没有明显的降解。对NRVM培养心室模型进行点电刺激后，观察到与纵向相比，Ca2+瞬时传播在横向(打印方向)上更快。这证实了 3D 打印的心室支架中的脉冲传播也沿着组织排列发生，这是由打印方向决定的。同样，在hiPSC-CM培养的心室模型中，定向Ca2+瞬时传播表明心肌细胞在3D打印的心室支架上的汇合和同步。这导致hiPSC-CM培养的心室模型同步协调收缩，通过变形映射分析、测量体外心室模型的位移来证明这一点。

【小结】

该研究展示了使用基于水凝胶的FIG墨水3D打印组织工程心室模型的能力，该模型同时概括了心脏的微观结构 ECM 架构和宏观结构器官级几何形状。在这里，注入的明胶纤维在水凝胶油墨中充当流变改性剂，允许在不使用牺牲浴的情况下打印复杂的3D物体。此外，这些纤维还提供生化和微观结构线索，促进细胞粘附和自组织形成功能性合胞体。由此产生的体外心室模型显示了心脏的周期性收缩运动；然而，为了增强心脏功能，未来需要多层组织心室模型。为此，可以进一步研究FIG墨水及其生化和结构标记，以促进细胞浸润，改变局部肌肉方向，制造多层组织并整合多种细胞类型，例如，以实现血管化。这项工作表明，3D FIG墨水打印将在促进标准化和可访问的生物打印过程中发挥重要作用，从而以微观结构精度重现天然器官的几何形状。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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