在体积生物打印中运用几何设计来研究工程构建物中的细胞行为

《Advanced Healthcare Materials》：Geometrical Designs in Volumetric Bioprinting to Study Cellular Behaviors in Engineered Constructs

血管内皮细胞和骨肉瘤细胞在Gel-PEG树脂三维打印结构中的几何依赖行为研究。采用GelMA-Polyethylene glycol diacrylate（Gel-PEG）复合树脂，通过体积生物打印构建了不同曲率的通道结构，并利用全息显微术实时观测了细胞附着的形态学变化。结果显示，Gel-PEG树脂在打印精度、机械稳定性和尺寸稳定性方面显著优于纯GelMA树脂。HUVECs在直角或大于90°的曲率通道中表现出更好的粘附和迁移能力，形成有序的管状结构；而143b骨肉瘤细胞在所有几何条件下均表现出高侵袭性，形成致密的团簇结构，且对材料刚度更敏感。该研究为生物打印血管模型和癌症转移机制研究提供了新的材料设计和分析方法。

　　本研究探讨了通过体积打印（Vol3DP）技术制造的结构几何变化对人类脐静脉内皮细胞（HUVECs）和骨肉瘤细胞（143b）的附着、存活及组织行为的影响。为了提高打印效果，研究人员优化了一种由明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）组成的复合树脂。相较于单一的GelMA，这种Gel-PEG树脂在打印精度、机械性能和结构稳定性方面表现更优，能够更好地模拟体内环境，支持细胞在三维结构中的长期生长和功能发挥。实验中，研究人员构建了具有不同几何形状的结构，包括盘状结构和带有直线或倾斜角度（60°、90°、110°）的通道，并在这些结构上培养了两种细胞类型，持续至14天。采用无标记的全息显微镜技术实现了对细胞突起的实时观察，这对细胞的附着和机械感知至关重要，同时避免了传统染色对细胞活性的影响，从而支持长期的活细胞分析。

在细胞附着方面，HUVECs在Gel-PEG和GelMA表面上都能良好地附着，但Gel-PEG表面表现出更高的细胞分布均匀性。研究发现，随着培养时间的延长，Gel-PEG对细胞生长的支持能力优于GelMA。在细胞形态学方面，HUVECs在不同几何结构中表现出与体内血管形成过程相似的机械敏感性和对几何形状的响应。例如，110°的通道促进了HUVECs的扩张和聚集，而60°的通道则限制了细胞的分布和扩展。相比之下，143b细胞则表现出高度的几何无关性，能够在各种通道结构中均匀扩散，并形成密集的细胞群，其生长速度在Gel-PEG结构中也比在GelMA中更快，这与这些细胞的侵袭性和转移特性相一致。此外，研究还观察到，143b细胞在不同几何结构中能够形成明显的细胞聚集，这种行为可能与它们对机械刺激的响应有关，表明Gel-PEG结构能够有效支持癌细胞在三维微环境中的行为研究。

全息显微镜的应用为理解细胞与材料之间的动态相互作用提供了重要工具。通过无标记的定量相位成像技术，研究人员能够实时观察细胞突起的形成和细胞附着点的变化，而无需使用外源性标记物。这种技术特别适用于在复杂三维结构中进行长期活细胞分析。实验结果显示，143b细胞在Gel-PEG表面上的突起更长，而HUVECs则在Gel-PEG表面上表现出更少的突起，这种差异可能反映了两种细胞对材料表面不同特性的适应性。同时，研究还观察到细胞突起中的脂滴动员，这可能表明细胞在特定区域通过重新组织其细胞骨架来满足能量需求，从而影响其对基质的附着和侵袭行为。

为了进一步评估Gel-PEG结构在复杂三维生物打印中的应用潜力，研究人员设计并制造了多种几何形状的结构，包括直线通道和不同角度的通道（60°、90°、110°）。实验中，143b细胞在这些结构中表现出较强的适应能力，能够在不同几何条件下持续增殖，并形成密集的细胞群。相比之下，HUVECs更倾向于在直线或较大角度的通道中聚集，并表现出对几何形状的强烈依赖性。这些结果揭示了不同细胞类型在三维结构中的行为差异，同时也强调了几何形状对细胞功能的重要影响。

在共培养实验中，研究人员将HUVECs与143b细胞同时接种在Gel-PEG结构上，以模拟体内肿瘤与血管的复杂相互作用。实验结果表明，两种细胞在不同几何结构中的分布比例存在差异，143b细胞在Gel-PEG表面上的相对比例较低，这可能与其对基质刚度的敏感性有关。此外，研究还展示了Gel-PEG结构能够支持更复杂的细胞共培养系统，为构建具有生理意义的肿瘤-血管组织模型提供了可能。

本研究还探索了如何在生物打印的限制下扩展通道长度，以实现更复杂的结构设计。研究人员通过连接多个通道构建了三维模型，这些模型在保持整体尺寸的同时，提供了更长的连续路径，从而支持细胞的附着和生长。通过这种设计，研究人员能够在更大的体积内进行细胞培养，同时维持结构的完整性。这一发现为未来设计更复杂的三维生物结构提供了新的思路，有助于克服传统生物打印方法在结构复杂性方面的局限。

为了进一步验证Gel-PEG结构的性能，研究人员还进行了机械性能和肿胀特性的评估。结果显示，Gel-PEG结构在机械性能上优于GelMA，具有更高的刚度和更好的结构稳定性。在肿胀测试中，Gel-PEG结构表现出显著的低肿胀特性，而GelMA结构则在培养过程中发生明显的膨胀，这可能导致通道被部分阻塞，影响其功能性。这些结果表明，Gel-PEG是一种更适合用于细胞培养和组织工程的生物打印材料。

此外，研究人员还利用全息显微镜技术对共培养系统进行了详细分析，观察了两种细胞在不同几何结构中的分布和相互作用。结果表明，HUVECs在结构中的分布受到几何形状的显著影响，而在143b细胞中，这种影响则较为有限。这种差异可能反映了两种细胞在生理环境中的不同适应机制，也提示了在组织工程和疾病建模中，设计具有特定几何特征的材料对于调控细胞行为的重要性。

本研究不仅展示了Gel-PEG结构在体积生物打印中的优势，还为未来在组织工程、药物筛选和癌症研究中应用三维生物结构提供了理论支持和技术基础。研究人员指出，通过结合生物打印和全息显微镜技术，可以更精确地模拟体内环境，为研究细胞与材料之间的相互作用提供了新的工具。同时，实验还表明，进一步优化材料的性能和几何设计将有助于构建更接近生理的组织模型，从而推动生物医学研究的发展。

尽管本研究取得了一些重要进展，但仍存在一些局限性。例如，Gel-PEG结构在长期培养中是否能够维持其性能，以及如何通过进一步的工程化设计来优化其功能，仍需更多的研究来验证。此外，虽然全息显微镜技术在研究细胞行为方面具有优势，但其在复杂结构中的应用仍处于早期阶段，需要进一步的优化以提高其适用性。未来的研究可以探索如何通过引入更复杂的流体动力学条件来模拟体内血管网络的动态特性，这可能有助于更深入地理解细胞在三维结构中的行为机制。

总体而言，本研究为体积生物打印技术在组织工程和细胞生物学研究中的应用提供了重要的参考。通过设计具有特定几何特性的结构，研究人员能够更好地模拟体内微环境，并揭示不同细胞类型在这些结构中的行为差异。Gel-PEG材料的优良性能，使其成为一种理想的生物打印基质，不仅支持细胞的附着和生长，还能维持结构的稳定性和功能性。未来的研究可以进一步探索如何通过优化材料配方和几何设计，提高生物打印结构的复杂性和功能性，从而更好地支持组织再生和疾病模型的构建。