上轉(zhuǎn)換納米引發(fā)劑實現(xiàn)皮下原位光固化3D打印

來源： EngineeringForLife

因具有高分辨率、可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)精細打印的特點，DLP光固化3D打印技術(shù)已在生物制造領(lǐng)域大放異彩。目前，其已被用于多種組織的重建或修復(fù)研究，包括脊髓、周圍神經(jīng)、血管等。現(xiàn)行DLP生物制造研究主要在體外進行組織的構(gòu)建，經(jīng)過一定時間培養(yǎng)后植入體內(nèi)，這往往會造成二次創(chuàng)傷。若能通過微創(chuàng)方式在皮下直接進行3D打印將大大降低醫(yī)源性創(chuàng)傷帶來的風(fēng)險。

通常，DLP墨水的光引發(fā)劑需要通過紫外、藍光或可見光激發(fā)（圖1）。這些光波的組織穿透能力差，難以實現(xiàn)皮下固化。波長780～2526nm的不可見近紅外（NIR）光可以穿透深層組織，并已用于藥物控釋、光動力療法、光熱療法、體內(nèi)成像等，是一種廣泛使用的組織穿透性光波。若想實現(xiàn)NIR固化生物墨水，就需要適配的光引發(fā)劑。上轉(zhuǎn)換材料可將近紅外光轉(zhuǎn)化為紫外/可見光，將其與普通DLP光引發(fā)劑結(jié)合使用即可實現(xiàn)生物墨水的NIR固化。

近日，四川大學(xué)的茍馬玲研究員、錢志勇教授和魏霞蔚教授團隊通過藍光引發(fā)劑LAP包裹上轉(zhuǎn)換納米粒子制備了核-殼結(jié)構(gòu)納米光引發(fā)劑（UCNP@LAP）。依托該光引發(fā)劑開創(chuàng)性地實現(xiàn)了皮下原位DLP打印。相關(guān)研究論文：Noninvasive in vivo 3Dbioprinting發(fā)表于雜志Science Advances上。

圖1 光固化生物打印常用光引發(fā)劑及其激發(fā)波段

圖2 基于UCNP@LAP核-殼結(jié)構(gòu)納米光引發(fā)劑的近紅外皮下DLP打印

上轉(zhuǎn)換材料
上轉(zhuǎn)換材料是一種能實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的材料。所謂上轉(zhuǎn)換發(fā)光，指的是材料受到低能量的光激發(fā)，發(fā)射出高能量的光，即將吸收的長波長、低頻率光轉(zhuǎn)換為短波長、高頻率光。

上轉(zhuǎn)換材料由無機基質(zhì)及鑲嵌在其中的稀土摻雜離子組成，通過調(diào)節(jié)無機基質(zhì)及摻雜稀土離子組成、比例可將近紅外激發(fā)光轉(zhuǎn)化為紫外或可見光。

UCNP@LAP核-殼結(jié)構(gòu)納米光引發(fā)劑
研究人員通過改進的方法合成了水性上轉(zhuǎn)換材料納米粒子（UCNPs），該上轉(zhuǎn)換納米粒子可在水溶液中穩(wěn)定分散且表面帶正電荷，通過與帶負電荷LAP間的靜電吸附作用制備了核-殼結(jié)構(gòu)的UCNP@LAP納米光引發(fā)劑（圖3A）。與上轉(zhuǎn)換材料/LAP直接混合相比，這種核-殼結(jié)構(gòu)有效提高了近紅外光的激發(fā)效率。同時，由于LAP的包裹，UCNP發(fā)射出的紫外光被LAP屏蔽吸收（圖3D），降低了對細胞的損傷。

圖3 UCNP@LAP納米光引發(fā)劑的TEM、TGA、PL等數(shù)據(jù)

模擬皮下DLP打印測試

• 墨水組成：GelMA-15%、UCNP@LAP-1% in PBS。
• 曝光參數(shù)：918nm NIR，層曝光15-30s。
  

通過一塊0.5mm厚的豬肉模擬上皮組織，在皮下滴加一定體積墨水進行模擬打印，每固化一層便將沉積平臺下移并補加生物墨水進行下一層固化（圖4C）。圖4結(jié)果表明在間隔一層肌肉組織情況下該方案可以打印出各種形狀水凝膠并具有多層結(jié)構(gòu)。

圖4 體外模擬皮下DLP打印測試（標(biāo)尺=200μm）

體內(nèi)皮下載細胞原位DLP打印

• 墨水組成：GelMA-15%、UCNP@LAP-1% 、1×10^6 ml^-1軟骨細胞。
  

將無菌氮氣體皮下注射到小鼠的左后方隔離皮膚和肌肉組織以形成空腔。將生物墨水注入空腔中。用耳形NIR光照射注入部位20 s使墨水固化，隨后吸去未固化墨水。

在1個月體內(nèi)培養(yǎng)后，打印結(jié)構(gòu)保持了耳朵形狀（圖5G）。組織學(xué)分析顯示軟骨細胞卵泡腔隙在細胞外基質(zhì)中分泌II型膠原（圖5，H和I）。伴隨著軟骨細胞的生長，原位形成了耳狀組織。

定制的耳狀構(gòu)建體在未來的組織再生和耳廓重建領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實驗結(jié)果表明，醫(yī)源性損傷小的微創(chuàng)皮下3D生物打印技術(shù)具有原位制備復(fù)雜組織并用于器官重建的潛力。

圖5 小鼠皮下原位DLP打印耳朵模型及組織切片

總結(jié)
本研究將可注射水凝膠與DLP術(shù)融合，通過UCNP@LAP核-殼結(jié)構(gòu)納米光引發(fā)劑實現(xiàn)微創(chuàng)近紅外皮下原位DLP打印。該技術(shù)為生物3D打印提供了新的解決方案，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有較大應(yīng)用價值。


論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/nm.2933