近期來自清華大學生物製造中心的BRE團隊在“Frontiers in Bioengineering and Biotechnology”雜誌發表了題為“Rapid Fabrication of Cell-Laden Microfibers for Construction of AlignedBiomimetic Tissue”的文章，提出了一種基於溼法紡絲(Wet Spinning with Agitating Collection，簡稱WSAC)的載細胞纖維絲成形工藝，研究了材料交聯、擠出引數和流場等因素對纖維絲成形的影響，並實現了中空和核殼纖維絲的製備，探索了纖維絲的組裝工藝及應用方向。

背景介紹

“自下而上”的模組化組織工程技術在生物製造領域有著廣泛的應用，透過這種方法可以產生具有可調微結構、細胞分佈和精確工程特性的工程組織。載細胞纖維絲（Cell-Laden Microfibers, 簡稱CLMs）作為構建單元的一種，有望用於體外重現肌肉纖維、韌帶和神經等天然組織的定向結構和功能。目前的研究已經證明CLMs可以促進部分細胞的擴散、伸展和排列，因此，中空和異質的載細胞纖維絲更有利於模擬如血管等人體天然組織的結構。

實驗結果

研究人員採用了基於溼法紡絲的纖維絲成形工藝，並添加了旋轉收集裝置，從而定向收集所成形的CLMs。基於海藻酸鈉的水凝膠材料從注射泵中擠出至旋轉的氯化鈣溶液中，形成纖維絲並纏繞在磁力轉子之上。透過調整材料濃度、擠出速度等引數，可以調控纖維絲的直徑，成形100~400μm範圍的纖維絲。研究表明，海藻酸濃度的增加或者氯化鈣濃度的減小可以增加纖維絲的直徑，而材料擠出時所承受的剪下速率的增大則會使得纖維絲直徑減小。磁場攪拌強度的變化(20%-60%)則對纖維絲的直徑影響較小。此外，透過對纖維絲束進行力學拉伸測試表明，纖維絲平均直徑為227μm比平均直徑為165μm的纖維絲束有著更好的力學效能。

圖1：載細胞纖維絲的快速製造工藝

隨後，研究人員將小鼠成肌細胞（C2C12）均勻地混合在海藻酸鈉/纖維蛋白水凝膠材料中進行了CLMs的製造，結果顯示，細胞可以在微絲中實現高密度的均勻分佈。透過對細胞的活死染色影象進行統計，在第0天、培養1天和培養3天后，微絲中的細胞都表現出了較高的活性（>94%）。

圖2：載細胞纖維絲的形態和活死染色結果

此外，研究人員透過使用同軸噴頭，實現了核-殼雙層結構纖維絲的製造。透過對C2C12細胞進行活細胞熒光染色，從而追蹤其在水凝膠微絲中的位置。影象顯示，兩種熒光的細胞均勻的分佈在所設計的雙層結構中，層與層之間有著清晰的邊界。透過將芯部的細胞材料更換為明膠，並在成形後升溫融出，研究人員同樣實現了管狀結構CLMs的製造和表徵。

圖3：核-殼雙層纖維絲和管狀纖維絲的製造

最後，研究人員基於所收集的纖維絲束，進行了纖維絲組裝。透過縱橫交叉和螺旋交叉兩種方式，對纖維絲束進行了編織，實現了大尺度複雜結構體的組裝製造。這種線性排列的結構在仿生組織構建中有著很大的應用潛力，比如心肌組織的體外構建，並且透過結合生物反應器可以獲取更成熟的心肌結構，並用於藥物心臟毒性檢測和心肌修復等研究領域。

圖4：纖維絲束的組裝

總結

綜上所述，該文章所提出的WSAC工藝可以實現多種載細胞纖維絲的快速製造和定向收集。得益於製造工藝的快速和溫和，水凝膠材料中的細胞可以保持較高的活性和良好的狀態，核殼和管狀結構纖維絲的製造更有利於模擬天然組織的複雜結構。該工藝在血管化肌肉組織等定向結構組織的體外構建及其藥理、病理學的應用中有著廣泛的應用前景。

本文第一作者為清華大學機械系生物製造中心的博士生魯冰川，通訊作者為清華大學機械系生物製造中心的張婷副研究員、熊卓副教授。

參考文獻

Lu B, Li M, Fang Y, Liu ZB, Zhang T, Xiong Z. Rapid Fabrication of Cell-Laden Microfibers for Construction of Aligned Biomimetic Tissue. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2021,8: 1552.

https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.610249