Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures
本研究建立了一个整合流变学表征、计算流体力学和实验验证的综合工作流，旨在预测并评估在利用 GelMA 水凝胶进行挤出式生物打印过程中，剪切应力对内皮-上皮共培养细胞活力及功能的影响。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象这样一个未来：医生可以打印活体组织，用以修复受损器官或替换失去的皮肤。这一愿景依赖于一种被称为“生物打印”的技术，即科学家使用专门的机器，挤出含有活细胞与支撑凝胶的微小液体流。其目标是构建能够模拟人体复杂组织的结构。然而，通过狭窄喷嘴挤压这种混合物的过程会产生一种强大的物理作用力，称为剪切应力。可以将这种力量想象成挤压牙膏管时感受到的压力；你挤压得越快、越用力，其中的内容物就越会被挤压并摩擦管壁。对于脆弱且娇贵的活细胞而言，这种摩擦可能是有害的，可能会导致细胞死亡，或损害其在结构建成后的功能。准确了解这些细胞能承受多少力，对于科学家希望创造可靠的活体组织至关重要。
一个研究小组致力于测量并预测这种挤压作用如何影响两种协同工作的不同人类细胞类型：血管细胞和乳腺组织细胞。为了实现这一目标，他们并非简单地进行打印并听天由命，而是建立了一个完整的系统，用于观察、计算并测试打印机内部发生的情况。首先，他们研究了用于承载细胞的这种厚实的胶状物质——甲基丙烯酰化明胶。他们测试了该材料在两种不同浓度和温度下的流动情况。他们发现，这种材料的行为可以通过数学模型来描述，这些模型可以预测厚液体的流动方式，从而使他们能够在接触真实细胞之前，先在计算机上模拟打印过程。
为了确保他们的计算机模拟准确无误，研究人员使用高速摄像机观察流动凝胶内微小颗粒的运动，从而证实数字预测与现实世界的运动相吻合。有了这个可靠的模型后，他们将注意力转向了细胞本身。他们将两种类型的细胞混合在凝胶中，并在不同的压力和浓度下进行打印。结果揭示了打印条件与细胞健康之间复杂的相互关系。当细胞被打印到较低温度下的较弱凝胶中时，即时结果显示细胞死亡率上升。有趣的是，较强的凝胶虽然表现出比较弱凝胶更高的剪切应力水平，但并未导致同样明显的即时细胞死亡激增。
然而，故事并未在打印停止的那一刻结束。研究人员让打印出的结构静置了一天，以观察细胞的恢复情况。他们发现，即使是打印过程中产生的低水平压力也会产生延迟效应。随着打印过程中所用压力的增加，仅仅经过一天的培养，死亡细胞的数量就会增加。这表明，细胞对打印过程中的物理作用力非常敏感，且这种敏感性并非显而易见。这项研究提供了一种预测这些影响的可靠方法，表明通过将计算机建模与仔细观察相结合，科学家可以更好地理解塑造未来活体组织打印的隐藏力量。
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