使用通用正交网络生物水凝胶的生物3D打印

| 3DScienceValley · 2020/12/29

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

根据EngineeringForLife, 生物3D打印技术是一种很有潜力的类组织结构制造技术，但生物墨水缺乏多样性是限制其发展的一个主要因素。

为了满足这种对普遍适用的生物墨水策略的需求，斯坦福大学的Sarah C. Heilshorn教授团队开发了一种通用的生物正交生物墨水交联机制，它可以与细胞兼容，并与一系列聚合物实现交联，并在Advanced Functional Materials杂志上发表了题为“3D Bioprinting using UNIversal Orthogonal Network (UNION) Bioinks”的文章。

研究人员制备了以明胶、透明质酸(HA)、重组弹性样蛋白(ELP)和聚乙二醇(PEG)作为主聚合物的通用正交网络(联合)生物墨水。并对其可打印性、力学性能、扩散系数等进行了表征。并用通用正交水凝胶加载基质贴壁的人角膜间充质基质细胞和非基质贴壁的人诱导多能干细胞进行打印实验。打印后，细胞仍保持高活力和表达特征表型标记。

通用的生物墨水策略

生物材料种类的缺乏，是限制生物3D打印技术发展的最大的障碍。由于细胞表型对周围环境的生物化学和机械特性非常敏感，生物墨水提供的基质特性对于细胞多样化将变得越来越重要。理想情况下，每种细胞类型都可以匹配自己的生物墨水基质特性，这样生物墨水就可以根据所需组织应用的细胞和结构需求进行定制。

由于目前可用的生物墨水数量有限，显然需要一种通用的生物墨水策略，这种策略可以很容易地定制，以支持任何类型的细胞。但目前水凝胶材料的交联策略数量有限，最终导致生物墨水多样性的缺乏。

为了实现更大的生物墨水多样性，需要新的交联策略。为了避免生物墨水在成型过程中产生不利于细胞存活的生物化学刺激。开发的通用生物墨水家族必须满足以下条件：(1)使用细胞兼容的适用多种聚合物交联方法；(2)可以聚合生成大分子结构；(3)对多种支撑浴都可以通用；(4)对多种细胞类型可进行生物化学和机械性能定制。

通用正交生物墨水的制备是通过SPAAC反应将生物正交的化学基团接枝到水凝胶材料的主链上，并将互补的双正交化学基团修饰到交联剂分子上。通过控制交联剂分子向生物墨水内的扩散，发生SPAAC交联反应，实现水凝胶材料的交联固化。

文章主要采用凝胶悬浮浴的方式进行打印，剪切变稀的凝胶支撑材料中混入了交联剂，挤出喷头伸入液面以下挤出的生物墨水构建3D结构，同时交联剂小分子就开始向生物墨水中扩散，并同时发生SPAAC反应，最后通过交联固化，得到完整的三维实体水凝胶结构。文章应用该方法打印了窗口结构、多材料方块以及多材料拉伸结构。

由于该类生物墨水使用的是相同的生物正交化学方法和相同的交联剂，因此可以用相同的方法交联多种生物墨水，只要满足它们都接枝了相同的生物正交基团。这样，就可以把多种聚合物材料混合在一起，创造出具有不同聚合物组成的无限生物墨水库，以供进一步定制。

此外，通用生物墨水系统适应性的关键是其定制能力，以匹配所需的生物打印应用。故研究者还根据不同细胞种类的基质力学性能构建细胞培养的支架，验证了角膜基质细胞、神经前体细胞等在生物墨水材料内依然保持有良好的存活性和功能表达性。证明生物正交交联生物墨水与其他生物分子没有交叉反应，包括存在于细胞表面、培养基或墨水本身的生物分子，这使其成为一种通用策略。