3D打印载凝胶模块化微笼支架

传统的组织工程支架很难在尺寸或形状上调整以适应缺陷部位，也无法提供空间分布复杂的负载（细胞、生长因子等）。近期，俄勒冈健康与科学大学(波特兰)Luiz E. Bertassoni团队在Advanced Materials上发表了题为“3D Printing of Microgel-loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering”的研究论文。利用光固化3D打印技术制造了一种新型的乐高式模块化微笼支架，该模块化支架可以轻松手动组装，并且具有很高的扩展性。

此外，模块化的空心微笼设计允许每个单元装载不同组分的生物凝胶，组装后的整体结构具有异质分布。模块化的微笼设计概念具有装配简单、可扩展性好、加载性能可控等特点，是一种可扩展到多种材料以提高生物性能的灵活系统。

如图1，研究人员首先通过光固化3D打印（DLP）技术，将高密度的β-TCP材料打印成微笼框架，每个支架单元的尺寸为1.5*1.5*1.5mm的空心笼状，壁厚为230-560μm。多个微笼支架可以互相堆叠、组装，形成各种结构，以适应实际组织工程中目标组织的尺寸与形态需求。

图1 模块化微笼支架的设计、打印与组装

构造具有异质结构和成分组织的策略很少见，且这些通常需要复杂的方法。中空微笼设计的另一个作用是能够以空间可控的方式在支架上填充所需材料。本研究中所填充的材料是甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA），同样利用DLP打印成具有各种几何形状的尺寸小于500*500μm的微凝胶（图2）。

图2 DLP打印的具有不同形状GelMA微凝胶

为体现微凝胶填充支架的异质性优势，研究人员用不同组合的人血管内皮生长因子(VEGF)、血小板衍生生长因子（PDGF）以及骨形态发生蛋白-2 (BMP2)制备微凝胶，并使用不同的荧光标记，并与传统的直接浇筑凝胶作为对比，体现生物材料的异质性分布，如图3。这些微凝胶可以很容易地在潮湿或干燥的条件下进行注射或其它方式加载到单个的微笼模块中。微笼也可以预加载冻干生长因子负载的水凝胶，通过对预加载堆进行简单堆积的直观过程，可以获得异质性3D结构的组装。

图3 微凝胶异质性分布与传统的浇筑凝胶对比

此外，为了探究位于微笼支架中不同区域的生长因子的位点特异性迁移，研究人员将细胞单层接种在位于3×1微笼支架上方的Transwell板中。一个微笼(左侧)充满VEGF负载的GelMA微凝胶，中间微笼充满无添加的微凝胶，另一个微笼(右侧)充满PDGF负载的微凝胶。结果表明，迁移模式遵循了浓度梯度变化，如图3（I,K）。与无添加的微凝胶的微笼子相比，VEGF对细胞有明显的吸引力，并刺激细胞迁移，含有PDGF的微凝胶也显示了定向迁移的模式。另一方面，充分浸渍了携带VEGF和PDGF混合物的水凝胶的微笼构建形成了一个复合整体，没有显示指示的细胞迁移模式，如图3（J,K）。并且，当细胞能够按指示方式迁移时，微凝胶负载支架的细胞总数也比单纯水凝胶负载支架的细胞总数要高。

最后，研究人员在体内和体外对细胞侵染微凝胶支架核心的能力进行了表征。体外实验中，装有微凝胶的微笼中，细胞均匀分布于样品的厚度，可见肌动蛋白丝遍布整个结构，而水凝胶浇筑的微笼主要形成单层细胞，局限于水凝胶的外表面，如图4（A-B）。值得注意的是，细胞似乎符合微凝胶的轮廓，这主要是由微凝胶之间形成的孔决定的。在体内实验中，将两个4×4微笼样品皮下植入大鼠模型，其结果是通常血管生长量的将近三倍。装有微凝胶的微笼支架内每平方毫米的细胞总数比完全浸渍的样品高约2.3倍此外，与完全浸渍的样品相比，装有微凝胶的支架中的血管总数平均增加了3.5倍，如图4（C-G）。

图4 细胞侵染微凝胶支架核心的体内与体外实验结果