作者：干细胞者说
正文
干细胞微环境是干细胞赖以生存的基础，对调控干细胞命运具有重要的作用。生物材料，给干细胞一个适应的生长微环境。
供稿：冯璐（论文第一作者）
来源：干细胞者说
细胞治疗，为多种难治性疾病提供了有效治疗途径。目前，全球细胞治疗市场正在法规的监管下飞速成长。一般认为，常用于成年人移植的细胞，单次剂量达到10*8~10*9个才有效。如果要想获得如此数量的细胞，就需要高效的体外细胞大规模扩增平台。此外，扩增后的细胞还需要满足生物学功能、纯度、活性、安全性和稳定性等多方面的严格要求，这对于细胞制造行业提出了巨大的挑战。
安全有效，质量稳定的体外扩增技术一直是制约干细胞治疗发展的瓶颈。目前缺乏可以同时解决以下问题的稳定体外扩增平台：
1）高贯通性孔隙结构，可均匀吸纳大量干细胞 2）稳定的多级仿生结构，保障干细胞高速生长代谢的物质交换 3）无损化的收集方法，以获得功能良好的细胞/细胞团簇
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3D打印干细胞扩增支架
近日，清华大学姚睿特聘研究员团队和捷诺飞生物创始人徐铭恩教授团队在ACS Biomaterials Science & Engineering杂志合作发表了一面封面文章，题目：Three Dimensional Printing of Hydrogel Scaffolds withHierarchical Structure for Scalable Stem Cell Culture。这篇研究中，原创性的提出基于3D打印技术构建具有四级仿生结构的三维支架进行干细胞规模化扩增的方法。
本研究作为期刊封面（Front Cover）
如图所示，该干细胞扩增平台像一座大楼，干细胞可以被快速吸纳到每个房间进行增殖/分化，有多种通道保障营养物质的供应和代谢废物的排出，最终整个大楼可被温和的拆除，释放出所有扩增好的干细胞。 3D打印干细胞扩增支架解决的问题：
具有独特可控的贯通性微观孔隙和宏观通道结构，可均匀吸纳大量干细胞，并保障细胞高速生长代谢中的物质交换（种植后细胞存活率达98.9%）。
具有良好的力学性能，可实现长期体外培养（弹性模量是水凝胶支架的22倍）。
在无损细胞表型和功能的前提下快速收集细胞。
最短仅需4天，即可扩增得到2×10*8个胚胎干细胞，到达临床使用所需细胞数量的级别。
研究人员采用了一种新的生物3D打印技术—打印同步光学相干层析技术（printing OCT，pOCT）。生物3D打印技术可基于计算机CAD模型，定位组装生物材料，制造适合细胞扩增的仿生结构。然而，由于生物材料的刚性低，导致打印结构误差巨大，无法支撑标准化、规模化制备的需求。pOCT技术能在打印过程中对打印结构进行实时无损监测和计算，通过反馈控制降低打印误差，并可精准控制交联度调控材料微观结构，实现生物材料的高保真、标准化、规模化打印。集成pOCT技术的生物打印系统（Regenovo,Bio-architect X）由捷诺飞生物科技开发。
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研究思路
研究示意图
选择生物材料：海藻酸钠和明胶。基于pOCT技术精确控制打印过程并调控交联度，然后程序性冻干，获得了具有四层等级结构的支架。（该支架宏观上为直径1cm的6层网格支架；中间具有直径约1.3mm的贯穿的中空通道；每根微丝的直径为300um左右；微丝内分布着平均直径为100um的贯通性大孔隙）。这种独特的层级结构实现了整个结构对干细胞的大量均匀吸纳，并提供充足的细胞增殖空间，保障高效的氧气和代谢物交换，为干细胞的大规模、快速扩增奠定基础。
支架的多层级结构
选择干细胞：肝脏祖细胞（HepaRG）和小鼠胚胎干细胞（ESCs）。两种细胞在支架内部成团生长且分布均匀。（HepaRG在支架上培养了7天后增殖了13.8倍，ESCs在培养4天后增殖了11.4倍。在生理状态下，对支架进行温和的解交联技术，可方便地收集大量细胞团簇。HepaRG细胞团簇阳性表达成熟肝细胞的标志性蛋白，ESCs细胞团簇阳性表达多能性蛋白和钙黏蛋白。）收集细胞操作对细胞的活性和表型都没有影响，且均获得2×10*8个以上的细胞数量，达到临床所需移植一次细胞量。
支架培养和无损收集ESCs
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研究意义
这一原创性技术还展示了3D打印支架对不同干细胞选择性培养模式：HepaRG出现了增强的肝细胞分化，而ESCs维持了多能性。研究人员认为其源于3D打印支架本身的独特性。
支架提供的微环境可以：
增强细胞与细胞间的相互接触。
对于肝脏祖细胞，支架的力学性能（ 压缩模量约为11 kPa ）接近于健康人体肝脏组织的刚度。相互贯穿的中空通道增强了氧气和营养物质的交换，为肝祖细胞提供了高氧的环境，从而促进HepaRG的肝向分化。
对于ESCs，支架的基体材料之一——明胶——是ESCs培养的主要基质，为ESCs提供了良好的生长环境.此外，3D支架培养促进了黏附蛋白的表达，从而维持ESCs多能性。
这一特性展示了本研究的应用潜力，可以扩展到多种细胞类型。
研究意义：提出了一种全新的3D打印辅助干细胞规模化扩增技术，研究结果显示干细胞扩增效率高、表型稳定、可控性强、稳定性好、收集方便，可应用于多种细胞的体外规模化培养，为干细胞治疗、组织器官缺损修复及其他生物治疗领域提供了新的解决思路。相关技术已申请多项专利，正在进行技术转化工作，敬请关注。
参考文献：
[1]Feng. L et al. ThreeDimensional Printing of Hydrogel Scaffolds with Hierarchical Structure forScalable Stem Cell Culture. ACS Biomater. Sci. Eng. 2020, 6, 5, 2995-3004 [2]Chen, R et al. Biomaterial-Assisted Scalable Cell Production forCell Therapy. Biomaterials 2020, 230, 119627.
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