在前沿的組織工程、藥物開(kāi)發(fā)、甚至臨床應用中，模擬體內組織結構和環(huán)境的體外模型構建都是十分重要的條件，而細胞或微結構單元的組裝方式以及細胞外基質(zhì)環(huán)境在組織功能化過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色，這也就促使了三維組織結構打印技術(shù)的發(fā)展。在這些技術(shù)中，以投影式光固化、擠出式打印技術(shù)等為代表，使用包含有細胞的水凝膠作為生物墨水材料，展現了*的生物組織構建的能力。但是，這種打印仍局限于對生物墨水整體打印，而其中的細胞是隨機分布的，難以主動(dòng)的對細胞組建微結構單元，這也是目前生物打印面臨的一個(gè)挑戰。

近些年，聲波作為一種易于集成、高生物親和性且高精度的控制手段，在細胞的靈活操控和高效組裝應用中得到廣泛研究，比如將聲波與微流控相結合的聲流控與聲鑷技術(shù)，特別適合操控細胞構建類(lèi)組織的體外模型。而如何將二維的聲場(chǎng)操控技術(shù)拓展到三維，并進(jìn)行三維組織結構的組裝，是其邁向生物3D打印需要解決的難題。近日，廈門(mén)大學(xué)陳鷺劍教授、胡學(xué)佳助理教授與武漢大學(xué)楊奕教授課題組合作提出了一種新的解決方案：結合層片打印和聲學(xué)操控細胞三維結構組裝，并以題為：Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution發(fā)表于Biofabrication 期刊上。

圖1.聲學(xué)3D細胞組裝示意圖。

借鑒多層光固化打印的思路，本研究提出基于聲表面波在凝膠層片中直接操控細胞組成特征結構，并對層片單元進(jìn)行多層組裝，成功實(shí)現了細胞的三維結構組裝和仿生組織構建。圖一中展示了該策略的示意圖，該技術(shù)在Z-切鈮酸鋰基底上設計具有六重旋轉對稱(chēng)的換能器配置，保證較大的調制自由度，通過(guò)波矢組合、相位組合以及振幅調制（圖1b），能夠將層片中細胞組裝成為多樣的結構。而為了將表面波產(chǎn)生的二維聲場(chǎng)和二維細胞結構拓展到三維空間，使用了摩方精密的PμSL高精度3D打印技術(shù)（nanoArch P150，摩方精密)，來(lái)制造高精度模塊化框架，與表面波聲場(chǎng)耦合，并在該框架中實(shí)現細胞組裝（圖1c）。GelMA 60作為生物墨水，經(jīng)過(guò)光固化后，可形成具有微觀(guān)結構的凝膠層片。再將該凝膠層片作為二維單元，進(jìn)行多層的對齊組裝以及使用水凝膠融合，即可得到被凝膠基質(zhì)固定的微觀(guān)三維結構。

圖2.結合3D打印模組的器件示意圖。

作為論證，圖三展示結合3D打印組件的聲波裝置調制產(chǎn)生的多種聲場(chǎng)結構，其具有不同的特征單元，比如類(lèi)血管的環(huán)形結構、類(lèi)肝小葉的蜂巢結構以及密堆的點(diǎn)陣結構等等，并且通過(guò)實(shí)驗驗證其進(jìn)行靈活細胞組裝的能力（圖3b）。通過(guò)二次三維組裝，研究人員實(shí)現了多種三維的細胞尺度的類(lèi)組織模型構建，包括空心管狀的毛細血管組織、交織的組織結構以及類(lèi)肝小葉蜂巢組織等（圖4）。這些特征單元的尺度取決于聲場(chǎng)的周期，可以通過(guò)設計實(shí)現在幾十微米到數百微米變化。而在三維空間上，由于使用高精度打印的單元結構，這些層片的厚度可以低至100微米，能夠通過(guò)設計不同層間距離適配不同組織高度的需求。并且這些三維類(lèi)組織模型經(jīng)過(guò)培養展現了較好的活性，微觀(guān)上緊密連接的仿生結構進(jìn)一步促進(jìn)了細胞與組織功能化的過(guò)程，比如實(shí)驗中驗證發(fā)現，管狀的三維模型在長(cháng)期培養的過(guò)程中細胞之間相互連接融合并展現血管化趨勢。

圖4.對細胞層片單元進(jìn)行多層組裝，構建的多種三維結構熒光共聚焦圖。

該聲學(xué)細胞3D組裝技術(shù)將聲表面波的二維操控能力拓展到三維空間，展現了獨.特的優(yōu)勢，比如直接對細胞組裝、精準構造組織結構、靈活可控以及操作簡(jiǎn)便。這項研究展現了對生物墨水打印之外對微觀(guān)介質(zhì)構建的能力，從新的維度提出了一種創(chuàng )新的技術(shù)路線(xiàn)。

論文信息：Hu, X. J.; Zheng, J. J.; Hu, Q. H.; Liang, L.; Yang, D. Y.; Cheng, Y. X.; Li, S. S.; Chen, L. J.; Yang, Y., Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution. Biofabrication 2022, 14 (4)，045003