利用藻酸鹽-明膠(AlgGel)水凝膠通過3D生物打印技術制備心臟補丁
瀏覽次數:32 發布日期:2025-7-11
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本研究聚焦于利用藻酸鹽 - 明膠(AlgGel)水凝膠通過 3D 生物打印技術制備心臟補丁,評估其可打印性、培養耐久性、細胞活力、心肌收縮性及內皮細胞網絡形成能力。使用 REGEMAT3D、INVIVO、BIO X 三種擠出式生物打印機,對比 AlgGel 與明膠甲基丙烯酰(GELMA)水凝膠,發現 AlgGel 打印精度(45%)顯著高于 GELMA(25%,p<0.05),形狀保真度相近(92% vs 96%,p=0.36);AlgGel 補丁中位耐久性為 14 天(IQR 10-27),單層結構、移動干擾及添加 AlloECM 會降低耐久性,而生物打印機類型和細胞內容物影響較小。細胞在打印后 28 天仍存活(活力約 53%),BIO X 打印的小鼠心肌球狀體補丁在 7-13 天開始收縮,游離內皮細胞可形成類血管網絡。研究建議,移植最佳時間為打印后 14 天左右,以平衡組織成熟與補丁完整性。
思維導圖
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2、測試指標與分組
- 可打印性:分辨率(線徑 200-700μm)、打印精度(網格空方塊保留率)、形狀保真度(28 天空方塊保留率)、可擠出性(滴液 / 堵塞情況)。
- 耐久性:監測補丁 disintegration 時間,測試層數(單層 vs 雙層)、移動干擾(最小化移動 vs 常規)、AlloECM 添加的影響。
- 細胞評估:28 天活 / 死染色(Calcein-AM/ EthD)、收縮活性觀察(7-28 天)、CD31 染色評估內皮網絡。
三、研究結果
可打印性對比(AlgGel vs GELMA)
1. 耐久性結果
- 單層 AlgGel 中位耐久性 3 天(IQR 2.5-4),顯著低于雙層(28 天,IQR 19-28,p<0.05)。
- 最小化移動可延長耐久性至 66 天(2/13 補丁失效)。
- 添加 AlloECM 后,23/23 補丁均在 < 1 天內 disintegration。
- 總體表現:AlgGel 補丁中位耐久性 14 天(IQR 10-27,n=59),GELMA(對照)28 天內均完整(p<0.05)。
- 影響因素:
- 生物打印機類型和細胞內容物(含細胞 vs 無細胞)對耐久性影響較小(p=0.93;p=0.17)。
2. 細胞活力與功能
- 活力:28 天時,人游離細胞活力約 53%(活 / 死比 2.3);小鼠心肌球狀體活 / 死比 9:1。
- 收縮性:BIO X 打印的小鼠心肌球狀體補丁在 7-13 天開始收縮,平均 258 次 / 分鐘,28 天仍保持活性。
- 內皮網絡:游離 HCAECs 在 28 天形成含管腔樣結構的網絡(CD31 + 結構中位長 88μm,寬 37μm);球狀體中內皮細胞遷移有限,網絡形成不顯著。
四、研究結論
- AlgGel 水凝膠適合 3D 生物打印心臟補丁,具有較高打印精度和適宜的耐久性。
- 移植最佳時機為打印后 14 天左右,此時組織已部分成熟且補丁完整性較好。
- 明確了降低耐久性的關鍵因素(單層、移動、AlloECM),為優化生物打印流程提供參考。
關鍵問題:
問題:AlgGel 與 GELMA 水凝膠在可打印性上的核心差異是什么?這些差異對心臟補丁制備有何意義?
答案:核心差異體現在打印精度(AlgGel 45% vs GELMA 25%,p<0.05,高 1.7 倍)和可擠出性(AlgGel 無噴嘴堵塞但有滴液,GELMA 每 6 補丁堵塞 1 次);形狀保真度相近(92% vs 96%,p=0.36)。意義在于 AlgGel 更易精準制備符合設計的補丁結構,且減少因堵塞導致的材料浪費和流程中斷,更適合心臟補丁的標準化生產。
問題:哪些因素會顯著影響 AlgGel 心臟補丁的耐久性?這些發現對臨床移植前的培養管理有何啟示?
答案:顯著降低耐久性的因素包括:①單層結構(中位 3 天 vs 雙層 28 天,p<0.05);②培養中的移動干擾(如換液、顯微鏡觀察);③添加 AlloECM(<1 天 disintegration)。啟示在于:需采用雙層結構制備補丁;培養中應最小化移動(如緩慢換液、減少轉移);避免添加 AlloECM,以確保補丁在移植前(建議 14 天左右)保持完整性。
問題:生物打印的心臟補丁中,細胞的功能表現(收縮性和內皮網絡形成)有何特點?這對心肌再生應用有何暗示?
答案:功能表現特點:①收縮性:小鼠心肌球狀體補丁在 7-13 天開始收縮,速率 258 次 / 分鐘,且持續至 28 天,表明心肌細胞功能正常;②內皮網絡:游離內皮細胞可自組織形成含管腔樣結構的網絡,而球狀體中內皮細胞遷移和網絡形成有限。暗示:采用游離內皮細胞更利于構建血管網絡,支持補丁內細胞存活;心肌球狀體可提供收縮功能,兩者結合或可優化心臟補丁的修復效果,為心肌再生提供兼具收縮和血供潛力的移植物。
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