在体外组织工程及模型制备中，氧气供应的不足常常导致细胞难以在构建的体系中维持其活性及功能。由于氧气的扩散有限，当结构的厚度超过几百微米到几毫米时，在其中心区域就会存在低氧状态。
近日，哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授课题组通过单细胞绿藻（莱氏衣藻）的光合作用，为3D生物打印后的结构内部提供了氧气（图1）。生物打印的莱氏衣藻在增强了哺乳动物细胞的活性和功能的同时减少了组织内的缺氧状况。当莱氏衣藻释放的氧气足够支持周围细胞达到一定的密度后，利用酶促降解可以从基质中去除生物打印的莱氏衣藻结构，从而形成的空心、可灌注的微通道，再将其内皮化最终获得血管化的动物组织。
图1. 3D生物打印的莱氏衣藻及其光合氧气释放。
莱氏衣藻生物墨水的可打印性和酶促降解性
研究者使用的生物墨水包含羧甲基纤维素钠（NaCMC）、明胶（Gelatin）、海藻酸（Alginate）、聚乙烯醇（PVA）、以及莱氏衣藻（图2A）。优异的生物相容性、生物粘附特性和纤维素酶介导的降解性促使NaCMC作为该光合藻类生物墨水的主要组分。图2B及图2C展示了甲基丙烯酰化明胶Gelatin Methacryloyl（GelMA）嵌入蜂窝状结构的制备过程及获得的结构。挤出式生物打印产生的含有生物墨水及莱氏衣藻的结构，经由CaCl 2交联，转移入模具中进行GelMA的紫外光交联。利用NaCMC为主水凝胶可作为牺牲墨水的特性，GelMA结构内部的开放通道可以通过纤维素酶消化处理得到（图2D）。
图2.A：莱氏衣藻生物墨水的组成成分。B：嵌入蜂窝状结构的GelMA样本的制备过程。C：生物打印后莱氏衣藻结构的形态。D：纤维素酶消化处理后获得的微通道。
莱氏衣藻的氧释放
在不同光照条件、同温度下，培养基中释放的氧气量显示了生物打印的莱氏衣藻的光合活性及对周边人源肝细胞耗氧的弥补（图3）。
图3. 生物打印的莱茵衣藻在培养基中的溶解氧水平。
模拟血管化肝脏组织
为了建立体外肝脏组织模型，研究者将生物打印的莱氏衣藻蜂窝状结构嵌入混有HepG2人源肝脏细胞细胞的GelMA基质中，并允许它们在37 °C下共培养3天。与对照组相比，肝脏细胞的活力在莱氏衣藻共培养下明显提高。缺氧诱导因子1α（HIF-1α）的表达在莱氏衣藻共培养下明显减少。为了产生血管化的组织，人脐静脉内皮细胞（HUVEC）接种在纤维素酶处理后形成的空心微通道内，形成通道内的内皮化结构。
图4.A：生物打印的莱氏衣藻对肝脏细胞活性的影响。B：生物打印的莱氏衣藻对肝脏组织内部HIF-1α表达的影响。C：生物打印的莱氏衣藻结构去除后的管道内皮化。
本研究研究了莱氏衣藻，这一全天然、纯生态、成本效益高且可持续的氧气来源在3D生物打印中的应用，对于促进组织工程、体外模型构建及食品工程等领域具有重要意义。
参考文献：
Maharjan S, Alva J, Cámara C, Rubio AG, Hernández D, Delavaux C, Correa E, Romo MD, Bonilla D, Mille LS, Li W, Cheng F, Ying G,Zhang YS*. Symbiotic Photosynthetic Oxygenation within 3D-Bioprinted Vascularized Tissues.Matter(2020).
来源：高分子科学前沿
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