惊艳！4D生物打印能塑造活体组织，研究表明：细胞生成力驱动的形态变化可提升心脏组织功能！

酸谈 · 公众号 · · 2025-01-25 18:56

正文

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在《Advanced Functional Materials》期刊发表的这篇文章中，来自戈尔韦大学的科研团队提出了一种创新的4D生物打印平台，能够通过细胞生成的力来实现可编程和可预测的形态变化。这种方法利用嵌入式生物打印技术，将胶原蛋白-透明质酸生物墨水沉积在屈服应力颗粒支撑水凝胶中，通过其粘弹性特性调节4D形态变化。研究表明，通过调节初始打印几何形状、细胞表型、生物墨水成分和支撑水凝胶的粘弹性，可以精确控制4D形态变化。此外，形态变化被发现能够通过应力规避机制积极塑造细胞和细胞外基质沿主要组织轴的排列。研究团队开发了一种有限元模型，能够准确捕捉细胞和组织层面的形态演变。最终，研究表明，编程的4D形态变化增强了iPSC衍生心脏组织的结构和功能特性。这种设计、预测和编程4D形态变化的能力为工程化器官原型提供了巨大的潜力，能够重现形态发生过程以塑造其最终的形状、成分和功能。

研究背景

这篇论文介绍了一种创新的4D生物打印平台，旨在通过细胞生成的力来实现组织的可编程和可预测的形态变化。传统的生物打印技术通常使用高交联或高聚合网络密度的生物墨水，这限制了细胞自组织行为的发生，从而导致功能性组织的形成受限。相较之下，该研究利用嵌入式生物打印技术，将胶原-透明质酸生物墨水沉积在颗粒支撑水凝胶中，通过其粘弹性特性调控4D形态变化。通过调整初始打印几何形状、细胞表型、生物墨水成分和支撑水凝胶的粘弹性，可以实现对4D形态变化的精确控制。生物打印技术在开发模拟天然组织和器官的人工组织方面具有巨大潜力。然而，当前的生物打印方法通常专注于复制器官的最终几何结构，而忽视了细胞在器官发生过程中所表现出的动态形态变化。这种动态变化对于组织的成熟和功能至关重要。近年来，材料科学的进步催生了能够在特定环境刺激下进行预编程形态变化的4D材料。然而，这些变化通常是由水凝胶的膨胀人工诱导的，并未与细胞生成的过程相结合。该研究通过开发一种能够在细胞生成力的驱动下进行形态变化的生物打印平台，填补了这一空白。这一平台不仅能够预测和设计4D形态变化模式，还展示了其在增强生物打印心脏组织结构和功能特性方面的潜力。

研究发现

研究发现，形态变化能够通过应力规避机制积极地塑造细胞和细胞外基质沿主要组织轴的排列。此外，研究开发了一种有限元模型，能够准确预测细胞和组织层面的形态演变。通过这种方法，研究表明，程序化的4D形态变化能够增强由诱导多能干细胞（iPSC）衍生的心脏组织的结构和功能特性。研究团队通过实验验证了4D生物打印平台的有效性，发现不同的初始打印几何形状会导致不同的形态变化模式。对称结构如管状结构表现出各向同性收缩，而不对称和开放几何形状则表现出更复杂的形态变化。此外，研究还表明，支撑水凝胶的粘弹性对组织形态变化的程度有显著影响，较软的支撑水凝胶导致更大的组织收缩。通过细胞表型和细胞外基质成分的调节，研究人员能够进一步控制组织的形态变化。最终，研究表明，4D形态变化能够显著改善生物打印心脏组织的细胞和细胞外基质的组织和成熟度，特别是在iPSC衍生的心脏组织中，形态变化促进了细胞对齐和肌节成熟，增强了组织的结构和功能特性。

临床意义

再生医学和组织工程的突破：通过4D生物打印技术，能够打印出具有可编程形态变化能力的组织。这项技术的出现有望解决传统生物打印技术中细胞结构和功能不成熟的问题，从而提高生物打印组织在药物筛选和再生医学中的应用潜力。心脏组织工程的应用：研究表明，通过4D形态变化可以提高由诱导多能干细胞（iPSC）衍生的心脏组织的结构和功能性能。这意味着4D生物打印技术可能在心脏病治疗中具有重要的应用价值，尤其是在创建功能性心脏组织模型方面。器官发生过程的模拟：该平台通过模拟胚胎发生过程中器官的动态形态变化，促进组织的成熟。这为研究和开发更复杂的生物打印器官提供了新的思路和方法。精确的组织构建：使用有限元模型预测组织形态演变的能力，提供了一种设计和制造具有复杂结构和功能的生物打印组织的方法。这种精准的控制可能在未来的个性化医疗和组织替代品的设计中起到关键作用。生物材料科学的进展：通过调节生物墨水成分、细胞表型和支撑水凝胶的粘弹性，能够精确控制4D形态变化。这种材料科学的进步将有助于开发更为先进的生物打印材料和技术。总的来说，这项研究展示了一种创新的生物打印方法，它通过结合细胞生物学、工程学和计算建模，推动了组织工程和再生医学领域的发展。这种方法不仅能提高生物打印组织的功能成熟度，还能为复杂的组织和器官的工程设计提供新的可能性。

实验策略

材料选择与生物墨水开发：选择具有细胞附着和收缩能力的I型胶原蛋白，并加入透明质酸以提高粘度和剪切稀化特性，适用于挤出式生物打印。
嵌入式生物打印技术：将生物墨水沉积在由琼脂糖微凝胶组成的颗粒支持水凝胶中，这种水凝胶具有剪切稀化和自愈合特性，支持高分辨率打印和形状变形。
形态变化的影响因素研究：系统研究了初始打印几何、生物墨水的细胞外基质（ECM）组成、细胞表型和支持水凝胶的粘弹性对形态变化的影响。
计算模型开发：构建有限元模型，模拟细胞活性收缩力和应力纤维重塑过程，以预测组织的形状演变。
4D形态变化的验证与应用：验证形态变化对iPSC来源心脏组织结构和功能特性的增强效果，并探索不同细胞类型和ECM组成对形态变化的调节作用。
细胞和ECM组织的影响：使用高分辨率共聚焦显微镜和定量分析，评估形态变化对细胞和ECM组织的影响，发现细胞和ECM沿主组织轴的对齐现象。
心脏组织模型的应用：测试形态变化在iPSC来源的心脏组织结构和功能成熟中的作用，通过生物打印心脏组织环来模拟心肌密集的细胞环境。

数据解读

图1 4D生物打印在颗粒支撑水凝胶中的形态变化组织背景描述：该图展示了4D生物打印技术在颗粒支撑水凝胶中的应用，通过不同形状的生物打印结构在培养过程中实现形态变化。A. 为了展示嵌入式生物打印平台及其生物墨水组成，作者提供了示意图，并通过拼接共聚焦图像展示了生物打印结构在颗粒支撑水凝胶中经历7天、14天和21天培养后的形态变化。结果显示，打印结构在开放和闭合几何形状下均发生了形态变化，表明该技术可实现复杂的形态变化。比例尺为500微米，生物学重复为3次。B. 为了展示更大尺寸的三维管状结构的生物打印，作者在颗粒支撑水凝胶中培养了含有单个或多个弯曲的管状结构，并观察其在7天培养中的形态变化。结果显示，这些结构在培养过程中成功实现了形态变化。参考数据中，较大管状m形结构的宽度为17毫米，而非管状m形结构的宽度为6.5毫米。明场图像中的比例尺为5毫米。结论：通过4D生物打印技术，嵌入颗粒支撑水凝胶中的生物打印结构能够在培养过程中实现复杂的形态变化，展示了该技术在组织工程中的潜力。

图2 颗粒支撑浴的流变和粘弹性特性调节4D形状变化的程度背景描述：本图研究了颗粒支撑水凝胶的流变和粘弹性特性如何影响组织的4D形状变化。A. i) 通过示意图和明场图像展示了不同填充密度（60%、80%和100%）的颗粒支撑水凝胶。ii) 通过测量不同微凝胶填充密度的支撑水凝胶在剪切应变（0.0001–1%）下的储能模量和损耗模量，展示了在低应变水平下的弹性特性和在高应变下的粘性特性。iii) 通过低（1/s）和高剪切速率（1/s）循环，展示了支撑水凝胶的时间依赖性粘度，表明其具有剪切变稀和自愈合特性。iv) 在30%应变下，颗粒支撑水凝胶的应力松弛行为随时间变化。B. i) 彩色明场图像展示了在不同填充密度（60%、80%、100%）的颗粒支撑水凝胶中培养7天的组织形状变化。ii) 基于明场图像，对第7天不同颗粒支撑水凝胶配方中的组织形状变化进行了量化（n = 3生物重复，单因素方差分析和Tukey多重比较测试。在较低填充密度的配方中观察到了组织形状变化的增加。iii) 在不同填充密度的支撑水凝胶配方中培养的形状变化管内，细胞的肌动蛋白染色共聚焦图像，比例尺500 µm。iv) 形变组织内细胞排列的极坐标直方图（每种配方n = 3生物重复）。在更具弹性的100%填充密度配方中培养的构建体中观察到了沿主要组织轴的细胞排列增加。结论：颗粒支撑水凝胶的流变和粘弹性特性显著影响组织的4D形状变化，较低填充密度的水凝胶促进了更大的形状变化，而更高填充密度的水凝胶则促进了细胞沿主要组织轴的排列。

图3 基于细胞收缩性的有限元模型预测组织形态变化背景描述：该图展示了一种有限元模型，该模型通过细胞和应力纤维的热力学重组来预测组织形态变化，以在胶原基质中维持最佳应变。A. 为了预测形态变化，作者建立了一个有限元模型，该模型通过细胞在胶原基质中产生的主动应力以及胶原基质的物理约束来驱动定向应力纤维的形成。应力纤维的重塑调节了主动细胞应力，随后应力纤维重新组织以维持最佳应变。B. 通过对比实验形态变化数据，验证了有限元模型对不同组织几何形状（管状、方形、三角形和交界处）的四维形态变化预测能力。i. 实验形态变化结果的明场图像（14天）与有限元模型预测的组织形态变化（通过主动应力σa等高线图展示）进行比较。ii. 对每种组织几何形状（圆形、方形、三角形和交界处）的模型预测与实验结果进行了定量比较，比较了关键几何特征的形状变化百分比（例如直径、长度或边长的变化）。实验结果以蓝色表示，模拟预测以靛蓝色表示。形状变化百分比通过测量第0天和第14天的相关长度计算得出。iii. 在支持浴中培养的生物打印组织的形态变化和主动组织应力预测，支持浴的弹性逐渐增加（E = 0.05 kPa, 0.21 kPa, 0.5 kPa），这类似于增加微凝胶的包装密度。iv. 在颗粒支持水凝胶中，随着杨氏模量的增加，对组织形态变化的模拟预测。实验图像代表n = 3的生物学重复。结论：有限元模型能够有效预测基于细胞收缩性的组织形态变化，并且在不同的几何形状和支持条件下，模型预测与实验结果具有良好的一致性。

图4：通过生物墨水成分和细胞表型调节4D形态变化背景描述：本图探讨了生物墨水的胶原浓度、细胞密度、细胞类型以及肌动蛋白-肌球蛋白收缩性抑制剂对生物打印管形态变化的影响。A. i) 为了研究生物墨水中胶原浓度（2.4–8 mg/mL）和细胞密度（2–10 M/mL）对生物打印管形态变化的影响，作者采用全因子实验设计方法，通过等高线图展示数据。结果表明，较高的细胞密度和较低的胶原浓度会导致更显著的形态变化（直径变化百分比）。ii) 通过计算模拟预测管的形态变化（直径变化百分比）与细胞体积分数和胶原生物墨水杨氏模量的关系，并展示了不同生物墨水配方的样本主动应力（σa）等高线图。模型预测结果与实验结果一致，表明较高的细胞体积分数和较低的胶原生物墨水杨氏模量会增加形态变化。B. i) 通过彩色明场图像展示不同细胞类型对管形态变化的影响，分别在第0天和第14天观察（比例尺1 mm）。涉及的细胞类型包括人心脏成纤维细胞（HCF）、人脐静脉内皮细胞（HUVEC）、诱导多能干细胞（iPSC）及其衍生的心肌细胞（iPSC-CM）。ii) 对每种细胞类型在第14天的管形态变化进行了量化（与第0天相比的直径变化百分比）（n = 3/4生物重复，单因素方差分析及Tukey多重比较测试。结果显示，HCF和HUVEC表现出更显著的形态变化，而iPSC和iPSC-CM的变化显著较少。C. i) 通过共聚焦图像展示肌动蛋白-肌球蛋白收缩性抑制剂（Rock抑制剂Y27632：10 µM，Blebbistatin：20 µM，Cytochalasin D：10 µM）对组织形态变化的影响，分别在低（比例尺500 µm）和高放大倍率（比例尺50 µm）下观察生物打印管在第7天的形态。ii) 定量测量对照组和抑制剂处理组生物打印管的形态变化（直径变化百分比）（n = 3生物重复，单因素方差分析及Tukey多重比较测试。结果表明，抑制肌动蛋白-肌球蛋白收缩性会减少组织形态变化。结论：生物墨水的胶原浓度、细胞密度、细胞类型以及肌动蛋白-肌球蛋白收缩性抑制剂均显著影响生物打印管的形态变化。较高的细胞密度和较低的胶原浓度会增加形态变化，而不同细胞类型和收缩性抑制剂的使用也会显著影响形态变化程度。

图5 形变组织中细胞和细胞外基质（ECM）排列的时间演变背景描述：本图研究了在形变组织中，细胞和ECM（包括胶原纤维和新生纤维连接蛋白）的排列随时间的变化。A. 为了观察细胞、胶原纤维和新生纤维连接蛋白在形变管状结构中的排列，作者在14天的培养过程中，通过共聚焦成像技术对细胞、胶原和新生纤维连接蛋白进行了观察。实验中使用的生物墨水中不含新生纤维连接蛋白。定量分析了细胞、胶原和新生纤维连接蛋白的方向性/排列，并通过极坐标直方图展示。结果显示，细胞和ECM沿着生物打印管的主轴逐渐排列，到第14天时，这种排列在管的整个长度上都很明显。B. i) 彩色明场图像展示了生物打印管状结构的形变。ii) 从共聚焦图像中提取的细胞和胶原纤维方向性的颜色映射。iii) 有限元模型预测的细胞排列。iv) 有限元模型预测的ECM排列。v) 有限元模型模拟的主应变大小和方向的等高线图。vi, vii) 实验测量的细胞和胶原纤维方向性与计算模型预测结果进行比较，显示结果之间的高度一致性。实验测量结果以蓝色表示，模拟预测结果以靛蓝色表示。这种定量比较是在5b,iii,iv中高亮显示的管区域进行的。viii) 彩色明场图像展示了生物打印波形结构的形变。ix) 从共聚焦图像中提取的细胞方向性的颜色映射。x) 模拟的主应变大小和方向的等高线图，与组织中两个高亮区域的细胞排列方向性和程度的预测结果合并展示。结论：研究揭示了在形变组织中，细胞和ECM的排列随着时间逐渐沿着组织的主轴方向显现，并且实验结果与计算模型预测结果高度一致。

图6：形态变化的iPSC来源心脏组织的结构和功能成熟背景描述：该图研究了形态变化的高细胞密度生物打印心脏组织的结构和功能成熟，特别是含有iPSC来源心肌细胞（iPSC-CMs）和心脏成纤维细胞（HCFs）的组织。A. i) 为了研究心脏组织的形态变化，作者对含有iPSC-CMs和HCFs（比例为7:3，细胞密度为2000万/mL）的生物打印心脏管和仅含iPSC-CMs的对照组进行了比较。通过共聚焦成像分析在第28天的心肌肌钙蛋白T（cTnT）和波形蛋白（vimentin）染色，结果显示HCFs的存在增加了组织的形态变化，并改善了形态变化组织中iPSC-CMs的结构组织。在第50天，通过cTnT和肌节α-辅肌动蛋白染色分析肌节组织。结果表明，HCFs的存在促进了组织的形态变化和iPSC-CMs的结构组织。ii) 为了量化生物打印心脏管在第28天的形态变化，作者基于明场图像计算了与第0天相比的直径变化百分比。结果显示，含有HCFs的组形态变化显著增加（n=9，未配对t检验）。iii) 作者进行了双心室心脏组织构建的生物打印，包括打印几何的CAD文件和第0天及第14天的生物打印构建体的明场图像。通过共聚焦成像分析第14天生物打印组织中cTnT/波形蛋白和cTnT/肌节α-辅肌动蛋白的组织，结果显示组织的结构组织良好。B. 为了分析基因表达，作者在第30天对含有iPSC-CMs和HCFs的生物打印心脏管与仅含iPSC-CMs的对照组进行了比较。结果显示，含有HCFs的组中编码离子通道（SCN5A）和缝隙连接（GJA1, GJA5, GATA4）的基因表达增加（n=4）。C. 为了分析心脏管的收缩性，作者在第7、14和28天对含有iPSC-CMs和HCFs（形态变化）与仅含iPSC-CMs的对照组进行了比较。结果表明，HCFs驱动的形态变化在早期时间点增强了生物打印心脏管的收缩性能（n=9，双因素ANOVA与Tukey多重比较检验）。结论：HCFs的存在促进了生物打印心脏组织的形态变化和结构组织，并增强了其收缩性能，且在基因表达水平上显示出离子通道和缝隙连接相关基因的上调。

惊艳！4D生物打印能塑造活体组织，研究表明：细胞生成力驱动的形态变化可提升心脏组织功能！

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