哈佛大学医学院《Adv Mater.》：数字光处理3D生物打印可调控梯度结构

梯度结构广泛存在于各种组织中，并且对器官发育及生理和病理状况起着至关重要的作用。而有效地重建三维 （3D）结构中的梯度特征仍然是一项重大挑战。近日，哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授课题组开发了基于数字光处理 （DLP）方法的可调控梯度三维生物打印平台。将微流控混合器整合至打印机生物墨水槽的前端，可精确、即时的通过调控墨水的流量来实现生物墨水的梯度变化（图1）。该设计同时免于更换生物墨水时的冲洗步骤，进一步提高了梯度打印的打印速度并且达到节约墨水的目的。

图1 可组合梯度 DLP三维生物打印平台由微流控混合器墨水槽及DLP打印系统组成。

基于该打印平台，研究人员成功构建了一系列二维及三维复杂结构的垂直和/或水平方向上的梯度（图2）。这些离散或连续的梯度通过使用具有2个或多个入口的微流控混合器芯片完成，并且所有梯度控制都可以在单次打印过程中实时的轻松实现。值得注意的是，这里梯度的离散或连续取决于打印文件图案被划分的数目。即图案划分的数目越多，可获得越精细的梯度。例如，将魔方的打印模型分为 2×2×2、3×3×3 和 6×6×6 块，通过实时调整两种墨水的 2、3 和 6 组不同的流体比率获得混合后的墨水，可以在打印的魔方结构中达到从离散到接近连续的梯度分布。同时，连续的细胞密度梯度打印实验表明了该方法产生的梯度具有可逆性、可进行实时调节，且与设计的生物墨水流量高度吻合（图3）。

图2 由可组合梯度 DLP 打印体系打印获得的二维和三维包含垂直和/或水平梯度的复杂结构。

图3 细胞密度梯度生物打印的结果显示了与生物墨水流量相符的细胞密度梯度。

许多组织由分布不均匀的多种细胞及细胞外基质类型组成，其在细胞功能的建立和细胞间通讯中发挥着关键作用。此外，基质中的分子梯度或由周围细胞产生的化学梯度可作为细胞导向、迁移和命运决定的诱导因子。同时，细胞外基质的硬度对于细胞的细胞形态、迁移和分化也十分重要。因此，该梯度DLP生物打印平台在打印具有多功能梯度的组织中的应用也被进一步证明，涉及的梯度类型包括细胞密度梯度、基质硬度梯度、多孔结构和生长因子浓度梯度等（图4）。

图4 梯度DLP三维生物打印平台在打印具有多功能梯度的生物支架和组织中的应用。

该文章以“Digital Light Processing-based Bioprinting with Composable Gradients” 为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。哈佛大学医学院博士后王冕，哈佛大学医学院博士后李婉露和哈佛大学医学院访学本科生Luis S. Mille（现于斯坦福大学生物工程系就读博士）为论文的共同第一作者，通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授。