模拟人体多细胞环境的3D微结构技术

　　

为了研究多细胞系统中的生物力学力，有效的机械刺激是必不可少的工具。采用基于双光子聚合(2PP)的3D打印技术，研制了一种模拟人体多细胞环境的三维微结构装置。利用Nanoscribe的IP-PDMS和BIO INX生物树脂，该设备可以实现高保真的3D器官型细胞培养。多种细胞类型的封装和通过悬臂的精确机械刺激触发特定的细胞反应和设备的形态变化。这种创新的方法允许对多细胞系统进行机械刺激的详细研究。它在基于干细胞的类器官培养、癌细胞球体和膝关节的机械力研究中具有各种潜在的应用，以了解骨关节炎和类风湿关节炎。该设备的多功能性突出了其在生物医学研究中的巨大潜力。

细胞的发育、形态发生和代谢等活动都受到机械力的显著影响。虽然之前的研究已经检查了二维环境中细胞对机械刺激的反应，但在受控的三维环境中复制这些复杂的条件一直具有挑战性。海德堡大学(University of Heidelberg)的研究人员使用Nanoscribe的3D微加工技术解决了这一问题，该技术可以创建高分辨率、多功能的3D微结构。他们开发了一种装置，外层是IP-PDMS，内部是由混合了活细胞的HYDROBIO INX N400生物树脂制成，可以在规定的机械力下实现精确的机械刺激和多细胞系统的研究。

开发用于生物力学研究的三维微设备

来自Selhuber-Unkel实验室的研究人员使用CAD软件设计了该设备，并通过有限元分析对其进行了优化，以预测机械刺激下的应变。设备的外部部分使用IP-PDMS打印，内部部分使用Hydrobio INX N400，该产品针对活细胞打印进行了优化。研究人员使用扫描电子显微镜(SEM)、明场显微镜和荧光显微镜验证了打印质量，确保了最小的膨胀和收缩。最终的设备能够支持多细胞系统，并使用悬臂进行精确的机械刺激。

3D多材料打印的优越选择

多材料打印用于创建一个3D微结构装置，模拟体内复杂的机械环境。Nanoscribe的IP-PDMS因其弹性和柔韧性而被选中，使其成为细胞支架和组织工程的理想选择。作为Nanoscribe提供的最柔软的树脂，其杨氏模量为15.3 MPa, IP-PDMS可实现耐用、灵活的结构。选择以天然明胶为基础的水凝胶HYDROBIO INX N400，因为它与活细胞打印具有相容性。人类成纤维细胞样滑膜细胞(HFLS)作为研究炎症性关节疾病的模型，而人类脐静脉内皮细胞(HUVEC)因其位于关节衬里而被选中，被包裹在N400中，以创造一个真实的多细胞环境。

研究受刺激细胞的形态学变化

打印的3D微结构设备经过了多次严格的测试，以验证其功能和有效性。在机械测试中，一个带有已知刚度悬臂的纳米压头被用来对设备施加控制力，特别针对IP-PDMS桥，以诱导包含细胞的水凝胶圆柱体内的精确位移。施加的力范围为200 μN，频率为0.5 Hz至1hz。在1 Hz时，由于水凝胶基树脂的特性，较高的频率导致较少的位移，从而导致较少的细胞形态变化。0.5 Hz机械刺激30分钟后，细胞形态发生明显变化，肌动蛋白重构，肌动蛋白纤维在周期性机械拉伸下呈现重组和排列。作为概念验证，Medaka视网膜类器官被封装在设备中，以证明预制的类器官也可以使用这种方法有效地刺激。

提高生物3D打印的效率和质量

尽管使用Nanoscribe Photonic Professional GT2打印设备需要缝合，但3dmm20科学家取得了令人印象深刻的成果。一种消除拼接并获得额外优势的可能性是使用最高精度的3D生物打印机，即Nanoscribe的Quantum X bio。该打印机提供了更大的打印场，允许为这项工作打印的3D微观结构设备的无缝线打印。Quantum X生物的先进对准功能将促进与HYDROBIO INX N400的二次打印过程，通过确保精确的叠加来减少潜在的错误。此外，Quantum X bio提供可控的温度和湿度环境，hepa过滤气流，以及预混合空气/二氧化碳的可选连接，从而获得更可靠和更高质量的结果。作为活细胞打印的首选打印机，Quantum X bio支持广泛的生物打印应用，适应不同的设置，如无菌细胞培养皿，显微镜载玻片和微流控芯片。

研究人员得出结论，他们的3D微打印设备可以很容易地定制，以研究不同的细胞类型，如心肌细胞，并修改打印设备的形状和厚度，打印的基板，或使用的树脂，包括导电树脂。量子X生物对各种材料的开放性将进一步支持这些定制选项，使研究人员能够更精确地定制他们的实验。这种能力可以改善实验条件，提供更广泛的研究机会，可能导致该领域的重大进步。