[发明专利]一种控制细胞取向排列的生物3D打印方法

说明书

本发明公开了一种控制细胞取向排列的生物3D打印方法，属于生物医药技术及组织工程领域。本发明通过将生物材料与固化剂共混固化得到固化的生物材料，细胞可以在固化前加入参与固化的过程，也可以在后续固化的生物材料打印完毕后再接种到结构表面。固化后的生物材料由3D打印喷头挤出，挤出的同时进行牵拉并定位，从而最终可以使细胞在组织内部或表面(生物材料打印完毕后再接种到结构表面)取向排列。所述的生物3D打印方法步骤简单，适用范围广，可与优化后的商用挤出式生物3D打印机兼容。

技术领域

本发明属于生物医药技术及组织工程领域，特别涉及一种能够控制细胞在所构建的组织内部或表面取向排列的生物3D打印方法。

背景技术

生物3D打印技术在构建人造组织和人造器官等领域有重要的应用价值。目前，生物3D打印技术在构建人造心脏、肺、肝脏、骨骼、软骨组织、支气管、脉管系统等方面都取得了重要突破。这些构建出来的人造组织和器官，将被用于器官移植、药物筛选和基础病理研究。虽然生物3D打印技术能够构建几何外形和尺寸上与真实组织或器官十分相近的人造组织，但它无法再现真实组织或器官内部细胞的有序定向排列。然而，真实组织或器官的许多生理功能和机械性能都是由细胞的有序组织决定的。例如，心肌细胞的定向排布对心脏的搏动功能十分重要。因此，要打印出功能上与真实组织或器官相近的人造组织或器官，就必须在打印出的组织或器官中实现细胞的取向排列。然而，目前还没有报道过相关的技术能够实现这一目标。

研究表明，细胞的取向性与其感受外界的力学刺激和基底形貌息息相关。目前，通过在基底表面制作定向的凹槽或条纹结构可以控制细胞的定向排列。但它只能在具有特定形貌的基底表面实现二维细胞的定向排列，无法用于生物3D打印构建任意所需的载细胞结构。另一方面，有研究表明周期性的动态拉伸或静态拉伸组织，能够实现组织内细胞的定向排列。但它需要将已经成型的具有特定形状和机械强度的组织固定到拉伸装置上，这无法与现有生物3D打印技术的即时性和灵活性相适应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够控制细胞在所构建的组织内部或表面取向排列的生物3D打印方法。所述的生物3D打印方法步骤简单，适用范围广，可与优化后的商用挤出式生物3D打印机兼容。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明首先公开了一种能够控制细胞在所打印的组织内部取向排列的生物3D打印方法，包含如下步骤：

1)将细胞、生物材料与固化剂共混，将此混合物装入挤出式3D打印系统的打印管路，待生物材料固化；

2)挤出固化后的生物材料，使其一端与承接基底接触并粘附在基底上；

3)在挤出的同时，移动打印头牵拉生物材料并同时将已经受到牵拉的部分定位到承接基底上。

作为本发明的进一步，步骤1)中所述的细胞为构建人工组织或器官所需的一种或多种细胞，所述的生物材料为可经固化转变为水凝胶的具有生物相容性的材料，所述的固化剂为能引发或催化生物材料交联固化形成水凝胶的无细胞毒性的试剂，所述的打印管路为连接打印头与挤出装置的用于装载待打印材料的管路。所述的生物材料固化是指生物材料由溶液状态经过凝胶化转变为固态,具体的是指材料体系的储能模量值大于其损耗模量值，本领域技术人员可以根据上述对固化的描述，对生物材料与固化剂的具体种类进行选择，并决定生物材料与固化剂的用量比例和固化时间。

步骤1)中所述的细胞浓度范围优选为10⁵-10⁸个/mL。

为本发明的进一步，所述的生物材料包括明胶、胶原、透明质酸、壳聚糖、纤连蛋白、海藻酸钠、聚乙二醇、聚丙烯酰胺或上述任一种的衍生物。进一步地，优选为明胶或甲基丙烯酰化明胶，相应的固化剂优选为微生物来源的谷氨酰胺转氨酶和光引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂。