使用通用正交網絡生物水凝膠的生物3D列印

2021-01-15 騰訊網

根據EngineeringForLife, 生物3D列印技術是一種很有潛力的類組織結構製造技術，但生物墨水缺乏多樣性是限制其發展的一個主要因素。

為了滿足這種對普遍適用的生物墨水策略的需求，史丹福大學的Sarah C. Heilshorn教授團隊開發了一種通用的生物正交生物墨水交聯機制，它可以與細胞兼容，並與一系列聚合物實現交聯，並在Advanced Functional Materials雜誌上發表了題為「3D Bioprinting using UNIversal Orthogonal Network (UNION) Bioinks」的文章。

研究人員製備了以明膠、透明質酸(HA)、重組彈性樣蛋白(ELP)和聚乙二醇(PEG)作為主聚合物的通用正交網絡(聯合)生物墨水。並對其可列印性、力學性能、擴散係數等進行了表徵。並用通用正交水凝膠加載基質貼壁的人角膜間充質基質細胞和非基質貼壁的人誘導多能幹細胞進行列印實驗。列印後，細胞仍保持高活力和表達特徵表型標記。

通用的生物墨水策略

生物材料種類的缺乏，是限制生物3D列印技術發展的最大的障礙。由於細胞表型對周圍環境的生物化學和機械特性非常敏感，生物墨水提供的基質特性對於細胞多樣化將變得越來越重要。理想情況下，每種細胞類型都可以匹配自己的生物墨水基質特性，這樣生物墨水就可以根據所需組織應用的細胞和結構需求進行定製。

由於目前可用的生物墨水數量有限，顯然需要一種通用的生物墨水策略，這種策略可以很容易地定製，以支持任何類型的細胞。但目前水凝膠材料的交聯策略數量有限，最終導致生物墨水多樣性的缺乏。

為了實現更大的生物墨水多樣性，需要新的交聯策略。為了避免生物墨水在成型過程中產生不利於細胞存活的生物化學刺激。開發的通用生物墨水家族必須滿足以下條件：(1)使用細胞兼容的適用多種聚合物交聯方法；(2)可以聚合生成大分子結構；(3)對多種支撐浴都可以通用；(4)對多種細胞類型可進行生物化學和機械性能定製。

通用正交生物墨水的製備是通過SPAAC反應將生物正交的化學基團接枝到水凝膠材料的主鏈上，並將互補的雙正交化學基團修飾到交聯劑分子上。通過控制交聯劑分子向生物墨水內的擴散，發生SPAAC交聯反應，實現水凝膠材料的交聯固化。

文章主要採用凝膠懸浮浴的方式進行列印，剪切變稀的凝膠支撐材料中混入了交聯劑，擠出噴頭伸入液面以下擠出的生物墨水構建3D結構，同時交聯劑小分子就開始向生物墨水中擴散，並同時發生SPAAC反應，最後通過交聯固化，得到完整的三維實體水凝膠結構。文章應用該方法列印了窗口結構、多材料方塊以及多材料拉伸結構。

由於該類生物墨水使用的是相同的生物正交化學方法和相同的交聯劑，因此可以用相同的方法交聯多種生物墨水，只要滿足它們都接枝了相同的生物正交基團。這樣，就可以把多種聚合物材料混合在一起，創造出具有不同聚合物組成的無限生物墨水庫，以供進一步定製。

此外，通用生物墨水系統適應性的關鍵是其定製能力，以匹配所需的生物列印應用。故研究者還根據不同細胞種類的基質力學性能構建細胞培養的支架，驗證了角膜基質細胞、神經前體細胞等在生物墨水材料內依然保持有良好的存活性和功能表達性。證明生物正交交聯生物墨水與其他生物分子沒有交叉反應，包括存在於細胞表面、培養基或墨水本身的生物分子，這使其成為一種通用策略。

綜上說明，聯合生物墨水戰略作為一個通用的生物墨水平臺。該策略或將實現多材料和多細胞生物列印，模擬體內結構，並可能增強3D生物列印技術的轉化和治療潛力。

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007983

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