基于数字光处理（
DLP
）的
3D
生物打印技术在组织工程和再生医学中可用于制造水凝胶构建物，但开发兼具理想可打印性、力学强度、结构稳定性且不影响封装干细胞活性的生物墨水仍面临挑战。另一方面，干细胞球能模拟体内环境，在组织工程和再生医学中有重要作用，但现有的将干细胞球整合到
3D
生物打印水凝胶中的方法存在耗时、打印分辨率受限、细胞分布不均匀等问题，克服这些局限对生物制造结构至关重要。鉴于此，来自陆军军医大学口腔科的刘锐教授团队开发了一种各向异性的生物墨水）——细胞浓缩生物墨水（
CCB
），其以右旋糖作为诱饵捕获封装的干细胞，同时以
GelMA
作为基质以提供结构支持，保证打印的精细度。在形成打印体后，细胞呈现球体形式的生长，并且保持较高程度的细胞干性和分化潜能。
首先，研究者们观察到形成水凝胶构建体后，所有混合细胞都集中在葡聚糖溶液中，而在
GelMA
溶液中没有可检测到的信号。他们也发现
CCB
水凝胶固化后，超过
80%
的葡聚糖可以在
24
小时内，通过浸泡在
PBS
溶液中被有效消除。
CCK-8
测定结果表明，消除葡聚糖后的多孔结构促进了细胞的增殖。最终
10%
（
w/v
）葡聚糖溶液与
15%
（
w/v
）
GelMA
溶液按
1:2
体积比混合用于后续打印（图
1
）。
紧接着，研究者们进行了打印性能的表征，他们发现这一墨水配方可打印多种结构（从
2D
到复杂
3D
），负载细胞后的生物墨水也可实现精确沉积，表明这一生物墨水能实现高精度结构的制备（图
2
）。
随后，研究者们利用大鼠牙髓干细胞
（
rDPSC
）验证生物墨水是否可以促进干细胞球体的原位生成。结果显示，封装的
rDPSC
在
CCB
水凝胶中聚集形成球状体的能力显著上升，同时也表现出增殖能力的提高，干细胞标记物
例
如
Nanog
、
Oct4
和
Sox2
表达上调，预示其在维持细胞干性方面也具有一定作用。进一步，研究者通过转录组测序分析表明
CCB
水凝胶促进了多种生物过程和分子功能富集，例如细胞黏附、细胞间连接和细胞外基质形成等，有利于组织再生。同时，
CCB
水凝胶还能通过增加成骨、成软骨、成脂分化相关基因表达。促进
rDPSC
的分化能力（图
3
、
4
）。
另一方面，研究者们还利用人脐静脉内皮细胞
（
HUVEC
）验证了
CCB
水凝胶构建体的血管生成潜力。结果显示，
CCB
水凝胶构建物促进了
HUVEC
的血管形成、节点数量、迁移速度。同时，将水凝胶构建体植入大鼠皮下，
2
周后的切片染色结果显示
CCB
水凝胶在血管密度、平均血管直径和管腔密度方面均优于对照组（图
5
）。
最后，研究者将
3D
打印的
CCB
水凝胶构建体填充于大鼠源性牙本质基质（
TDM
）根片并植入大鼠皮下用于牙髓感染治疗。体内标本组织学评估结果显示，
8
周时，
CCB
组中的
TDM
支架充满了新形成的组织，包括血管的出现和牙本质样结构的发育。此外，通过
Masson
三色染色观察到，在
CCB
组中有大量的胶原纤维。免疫组织化学结果显示，
CCB
组中
DSPP
和
CD31
的表达增加，证实了使用
CCB
水凝胶有效促进了牙髓
-
牙本质复合物样组织重建（图
6
）。
综上所述，该研究中开发的
CCB
水凝胶生物墨水适用于基于
DLP
的组织构建生物打印，可促进干细胞球原位形成，制备的水凝胶构建物性能高、细胞活力好、结构保真度高，能增强干细胞特性维持和分化潜力，支持体内血管化和再生牙本质形成，为组织工程和再生医学提供新策略。
该研究由来自陆军军医大学口腔科的刘锐教授团队完成，并于
2024
年
9
月
发表于
Bioactive Materials
期刊。
论文信息
: Shunyao Zhu, Xueyuan Liao, Yue Xu, Nazi Zhou, Yingzi Pan, Jinlin Song, Taijing Zheng, Lin Zhang, Liyun Bai, Yu Wang, Xia Zhou, Maling Gou, Jie Tao
**
, Rui Liu
*
, 3D bioprinting of high-performance hydrogel with in-situ birth of stem cell spheroids, Bioact Mater 2024, 43: 392-405.
供稿：段煜东
审校：梁婷
编辑：刘大川
