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压电喷墨打印3D肺泡屏障模型与生理相关微结构

发布时间:2021-07-20
发布人:RUIDU

随着新呼吸道病毒的爆发和肺部疾病的高死亡率,迫切需要人类呼吸系统的生理相关模型来研究疾病发病机制、药物疗效和药理学。生物打印技术是可用于制造复杂结构的3D组织模型的新兴技术之一。生物打印可以3D方式自动沉积细胞和生物材料,实现组织模型的高度控制和定制生产。生物打印组织工程可以为体外药物筛选和毒性研究提供更精确的模型。在生物打印技术中,压电喷墨生物打印最适合重建薄而复杂的软组织特征。这是因为按需打印方法具有分辨率高、印刷速度快、高细胞活性、材料浪费低等生物印刷技术的优势。基于喷墨的生物打印机在其喷嘴中包括一个压电制动器,在电脉冲下在墨水腔内产生声波,以喷射典型体积为1~100 pL(10-12L)的非常小的液滴(MicroFab喷墨技术可实现≥0.1pL的微液滴),喷墨打印的这种能力已被证明能够在2D和3D环境中以高精度和速度对活的哺乳动物细胞进行微图案化。

《All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture》报告了一个全喷墨打印的肺泡屏障模型,功能层上皮和内皮细胞与胶原蛋白之间的基底膜。四种类型的人类肺泡细胞的高分辨率模式,即NCI-H1703(肺上皮I型细胞)、NCI-H441(肺上皮II型细胞)、HULEC-5a(肺微血管内皮细胞)和MRC5(肺成纤维细胞)以及I型胶原蛋白,通过按需喷墨打印自动高分辨率沉积肺泡细胞,能够制造出厚度达到前所未有的≈10μm的三层肺泡屏障模型。结果表明,与传统的2D细胞培养模型相比,3D结构模型更好地再现了肺组织的结构、形态和功能,而且与肺泡细胞和胶原蛋白均匀混合的3D非结构模型相比,3D结构模型更好地再现了肺组织的结构、形态和功能。按需应变喷墨打印技术是一种实现个性化、可扩展制造、尺寸和生长标准化的技术,相信这种3D肺泡屏障模型可以作为病理学和制药学应用中传统测试模型的替代方法。


肺泡屏障模型的喷墨生物打印


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▲ 图1  肺泡屏障模型的制作。a)鬼笔环肽染色的人肺泡细胞系的共聚焦荧光显微镜图像。肌动蛋白呈红色,细胞核呈蓝色。比例尺:50µm。b)制作肺泡屏障模型的喷墨打印工艺示意图。所有细胞均采用喷墨打印,逐层打印。此图像是使用BioRender创建的。


图1显示了肺泡细胞系的类型和喷墨打印工艺制造的超薄三层肺泡屏障模型。以人肺细胞系NCI-H1703为扁平鳞状上皮AT I,NCI-H441为立方形AT II,内皮细胞 HULEC-5a和MRC5为成纤维细胞。图1a中的共聚焦荧光显微镜图像显示了每种细胞类型的形态。通过这些细胞和胶原蛋白的精确喷墨打印完成了薄的三层肺泡屏障模型的制作(图1b)。在transwel渗透性支持物中,内皮细胞墨水、胶原蛋白墨水和含有成纤维细胞的胶原蛋白墨水按顺序一层一层地印刷。内皮细胞墨水首先喷墨打印到transwel插入物的多孔膜上。孵育24小时后,胶原蛋白和成纤维细胞拉伸的胶原墨水印在内皮层上。在培养箱中将胶原蛋白完全交联24小时后,将数量为1:2的AT I和AT II上皮细胞均匀地放置在下层。除胶原基油墨在4°c的温度下印刷以防止其在喷射过程中发生交联外,其余印刷工艺均在室温下进行。采用全喷墨打印的肺泡模型,将肺泡上皮暴露于空气中培养14天,并对其结构和生理功能进行进一步评价和分析。


喷墨细胞打印工艺优化

首先,课题组为每个单元格类型开发了可靠的喷墨工艺。NCI-H1703、NCI-H441和HULEC-5a细胞的生物油墨在细胞生长介质中制备,MRC5细胞被悬浮在稀释的胶原蛋白墨水中。图2a显示生物油墨的单闪光喷射图像。所有的生物墨水都用80μm大小的压电喷嘴喷射出来,喷射速度为3ms-1。精确调整的双极演化波形和气动压力使细胞液滴具有高分辨率和稳定性的模式。在所有的实验中,它的上升、下降和停留时间被设定在10μs左右,峰值驱动电压为±80V。


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▲ 图2  优化喷墨生物打印参数。a)用直径为80μm的压电喷嘴对人体肺泡细胞进行喷墨打印的单闪光图像。比例尺:100μm。b)代表图像,8×8个细胞液滴阵列印在玻璃基板上,间距为500μm。小图:放大2×2阵列。c)每个液滴的平均细胞数32×32阵列中。


接下来,课题组检查了单个pL级液滴中的打印细胞数量,以操纵沉积在每层肺泡组织上的细胞的准确数目。为此,研究人员在玻璃基板上打印了32×32液滴的阵列,每个单元的浓度为3×106和6×106细胞mL-1。图2b显示了具有代表性的8×8张打印细胞图像。在图2c中,每个细胞类型的平均发射细胞数量为下降。在放大的2×2阵列图像中,细胞生长介质墨水中的液滴中的细胞比胶原蛋白墨水少。在计算每个液滴上平均携带的细胞数量(图2c)时,课题组发现当细胞生长培养基墨水中的浓度为6×106细胞mL-1时,大约一个细胞被打印在液滴中。对于稀释的胶原蛋白墨水,单个细胞的浓度为3×106细胞mL-1,课题组根据这些条件确定每种细胞墨水的浓度,以制造分辨率高、精度高的3D肺泡模型。


喷墨打印单元的可行性评估

为了调查通过微米大小的喷射对细胞生存性和增殖的任何潜在影响,连续7天在打印后立即进行生存/死亡检测和CCK-8 检测。图3a显示通过分析染色钙黄绿素乙酰氧基甲酯(绿色、活细胞)和溴乙啡锭二聚体1(红色、死细胞)的细胞群而获得的细胞生存能力。结果表明,打印组的细胞存活率高达>90%,接近手动移液器吸取质控组的值。在这项研究中,所有人类细胞类型的存活率都很高。图3b显示打印和对照组在一周内每个细胞系的增殖率。在实验中,打印细胞组跟随着移液器对照组的生长趋势,没有观察到任何明显的细胞死亡,表明喷墨生物打印对正在使用的肺泡细胞没有不利影响。


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▲ 图3  打印后细胞生存能力测试。a)执行生存/死亡检测,以确定打印后细胞的可行性(n=3)。b)执行CCK-8检测以评估打印后7天的细胞增殖(n=3)。


喷墨生物打印系统

生物油墨以液滴形式喷射,喷墨生物打印系统(Jetlab®Ⅱ; MicroFab, TX)基于压电打印技术,包括x-y电动工作台和一个高分辨率(±2μm)沿z轴移动的喷嘴。采用80μm直径喷嘴(MJ-ATP-01-80; Microfab)喷墨打印头。系统中的油墨储存器和喷嘴的温度由一个带有冷冻循环槽的集成冷却系统精心控制。与电压施加相关的参数被调整以控制液滴的大小和直线度。通过±80V的JetDrive™控制器(MicroFab)给压电元件施加双极性电压波形,其上升、停顿和下降时间分别为≈10μs。将液滴速度调整到3ms-1。X-y运动平台的速度和加速度分别为15mms-1和500mms-2。单元阵列和模式是从单色位图图像中打印出来的。通过控制印刷液滴的数量、生物油墨的细胞浓度以及液滴之间的距离,可以调整喷墨印刷要印刷的细胞数量。为了防止细胞在印刷过程中沉淀,每隔10分钟用吸管重新悬浮载细胞的墨水。


参考文献:

[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.

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