双光子聚合技术实现细胞培养结构3D打印以精准调控细胞行为

海德堡大学分子系统工程与先进材料研究所的Eva Blasco教授所在团队在Materials Science上发表了相关论文，提出了一种通过双光子激光打印（2PP）制造用于细胞培养的三维(3D)微结构多材料的简单方法。细胞外基质(ECM)是天然组织中细胞的三维支架，它通过机械、结构和生化信号调节细胞粘附、迁移、分化和凋亡等过程。尽管目前细胞主要在二维环境中培养，但人们对三维环境对细胞过程影响的认识不断提高，这促使人们转向使用类似 ECM 的 3D 材料进行细胞培养，例如支架、球体和胶囊。这为保持或操纵自然细胞行为开辟了可能性。

软性生物相容性材料适合作为 3D 细胞培养的支架，而水凝胶是这种情况下常用的材料类型。最近，用于 2PLP 的水凝胶生产墨水的开发激增。聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA) 或丙烯酰胺 (AAm) 等单体和交联剂广泛用于这些目的。它们具有可靠的可打印性，并且可以高纯度化学合成，从而确保可重复的机械性能。然而，最终打印的材料必须显示出细胞粘附特性，才能允许细胞在其上或内部培养。PEGDA 或 AAm 等合成前体通常具有排斥细胞的特性。因此，已经开发了各种策略来赋予细胞粘附性。最常见的是，预固化的水凝胶用细胞粘附肽基序（例如 Arg-Gly-Asp (RGD)）进行后功能化。这种修饰过程可以实现高分辨率图案化和多正交线索的实现，并且可以高精度地调整细胞粘附程度和对蛋白质的特异性。然而，这些方法通常是多步骤过程，需要根据具体情况进行仔细优化。

所有上述生产细胞粘附材料的方法都面临着各种挑战和限制，因为缺乏对所用材料的完整和精确的分子控制。本文提出了一种通过 2PP 生产用于细胞培养的多材料 3D 微结构的直接方法。与之前报道的策略相比，该方法能够实现简单快速的材料制造、功能前体的自下而上分子控制以及高度的可定制性。在他们的研究中，Blasco等人使用包含化学合成的含 RGD 肽的可打印的基于 PEG 的细胞粘附材料，从而可以精确控制肽墨水设计。重要的是，只需要少量的 RGD 肽（1 mM，< 0.1 wt%）即可实现 PEG 材料中的细胞粘附性。因此，使用和不使用 RGD 打印的结构显示出相同的机械性能。我们利用我们方法的这一优势来生产具有均匀刚度和细胞粘附和细胞排斥斑块的多材料结构。通过对 RGD 肽进行荧光标记，Blasco等人能够可视化其在这些印刷品的细胞粘附区域中的存在。

为了证明他们的材料制造方法在 3D 细胞培养领域的广泛适用性，他们使用Nanoscribe Photonic Professional GT2系统打印细胞粘附 2.5D 和 3D 结构，并在这些结构内培养成纤维细胞。结果表明他们的方法能够打印可用于各种应用的高分辨率、真正的 3D 结构，包括复杂环境中的细胞研究。

Blasco等人的研究提出了一种利用2PP技术制造细胞粘附和细胞排斥多材料3D微结构的创新方法。与传统方法相比，这种方法具有以下优点：1. 简化制造过程；2. 实现分子水平上的精确控制；3. 高度可定制性。这些优势使得该方法在3D细胞培养领域具有广泛的应用前景。