【AMF论文推荐】华中科技大学吴斌老师团队：3D打印支架/水凝胶复合物的硬度与结构特征协同引导细胞移动

学术 2024-11-13 17:03 北京

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引用论文

Baichuan Deng, Zhiwei Huang, Xianglin Zhang, Kai Ren, Wen Feng Lu, Jerry Ying Hsi Fuh, Xinghuang Liu, Tao Bai, Bin Wu. Durotaxis and Topotaxis Orchestrated Guidance on Cell Migration in 3D Printed Scaffold/Hydrogel Composite. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200134.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200134.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S295043172400025X

1 研究背景及目的

利用生物支架的拓扑结构来引导细胞生长已是一种有效的策略。但仅讨论拓扑结构对细胞的引导仍有局限性，本文通过静电直写技术打印设计的特定拓扑结构的支架，并用“软”胶原包裹“硬”支架，从拓扑结构调控和趋硬性调控两方面来探讨生物支架对组织细胞的引导作用。

Fig. 1. Durotaxis and topotaxis orchestrated guidance on cell migration in 3D printed scaffold/hydrogel composite

2 论文亮点

1.对于不同结构参数的支架进行细胞培养，得到了不同结构参数对细胞生长的影响规律。

2.证明了细胞在被“软”胶原水凝胶包裹的情况下仍能感受到内部“硬”支架的拓扑结构，并被其引导生长。

3.使用基于神经网络的图像识别方法，快速识别并加强了染色的细胞核图像，方便快捷地统计了细胞核的朝向等几何信息。

3 试验方法

通过静电直写技术打印不同结构参数的支架，在支架上进行细胞培养，在培养1、3、7天后，取出支架进行染色观察细胞生长情况。接下来对打印的支架进行胶原的包覆，重复细胞培养步骤，观察细胞的生长情况。使用神经网络工具快速识别细胞核，并进行统计。

Fig. 2. Cell nuclear parameters measurement: (a) Original images of cytoskeleton and nuclei staining of myoblasts on scaffolds, Green: Phalloidin, F-actin; Blue: DAPI, nucleus; (b) Nuclei are recognized and reinforced clearly through the neuron network; 1) unit grid, 2) transverse fiber, 3) vertical fiber, and 4) cross area

4 结果

在丝间距0.8mm支架区域生长的细胞比丝间距0.4mm和0.6mm的区域生长的细胞排列方向性更一致，且三者细胞生长主要沿着丝轴方向。而在横纵两个方向的交界处，细胞生长方向呈现无序性。而将支架每段横向纤维加长，从0.4mm延长到0.8mm，会发现细胞沿丝轴生长情况更好。

观察到细胞在胶原包覆的支架上的定向生长情况好于单胶原培养和单支架培养，同时注意到细胞在胶原内呈现纺锤形。胶原很好地填充了支架间的空隙，为细胞提供了更多的生长空间。

Fig. 3. Nuclei angle orientation distribution on (a) unit grid, (b) transverse fiber, (c) vertical fiber, and (d) cross area of scaffolds with various diameter offsets

Fig. 4. Nuclei angle orientation distribution on (a) unit grid, (b) transverse fiber, (c) vertical fiber, and (d) cross area of scaffolds with various diameter offsets

5 结论

细胞能感知支架的拓扑结构，并倾向于沿着支架丝轴方向生长，这一方面要求丝径较小，另一方面要求引导丝的长度够长。虽然构建支架的挤出丝需要至少两个方向才能构成网状结构，但只需引导丝的长度占据足够比例，那么整体看细胞仍将沿引导方向生长。

细胞能够感受组织软硬度，能从较软的基质迁移到较硬的纤维，同时细胞也能感受到内部支架的拓扑结构，并受其引导生长。因此，胶原和支架的组合能从拓扑结构和硬度两方面引导细胞生长。

6 前景与应用

人体内许多器官都是具有明显的方向性结构，例如食道肌层呈现内环外纵的结构。本文一方面探索了拓扑结构对于细胞生长方向的影响，另一方面也通过胶原包覆支架，构建了更为立体的生长环境，探索了环境硬度变化对细胞生长方向的影响，对组织工程中的立体结构构建具有重要意义。

关于团队

作者团队介绍

吴斌，博士，华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室硕士生导师。个人在Materials & Design、Chemical Engineering Journal和Bioactive Materials等期刊上总计发表论文20余篇，被引用600余次，h因子12，授权专利6项。担任Additive Manufacturing Frontiers (AMF，《增材制造前沿(英文)》)和Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology(JAMST)期刊的青年编委；担任Advanced Science, Small和Virtual and Physical Prototyping等SCI期刊的审稿人。主持湖北省自然科学基金青年项目1项，参与国家重点研发计划3项。主要研究方向：冷冻3D打印。

近年团队发表文章

[1] W. Tian, X. Liu, K. Ren, J. Fuh, X. Zhang, T. Bai, B. Wu. Biomimetic Janus film fabricated via cryogenic electrospinning for gastrointestinal mucosa repair. Materials & Design, 2023, 228, 111839.

[2] T. Sun, C. Meng, Q. Ding, K. Yu, X. Zhang, W. Zhang, W. Tian, Q. Zhang, X. Guo, B. Wu, Z. Xiong. In situ bone regeneration with sequential delivery of aptamer and BMP2 from an ECM-based scaffold fabricated by cryogenic free-form extrusion. Bioactive Materials, 2021, 6(11): 4163-4175.

[3] Y. Hu, B. Wu, Y. Xiong, R. Tao, A. Panayi, L. Chen, W. Tian, H. Xue, L. Shi, X. Zhang, L. Xiong, B. Mi, G. Liu. Cryogenic 3D Printed Hydrogel Scaffolds Loading Exosomes Accelerate Diabetic Wound Healing. Chemical Engineering Journal, 2021, 426, 130634.