東華大學(xué)張耀鵬、邵惠麗：絲素/纖維素/明膠水凝膠支架的3D打印

來源：東華大學(xué)

近年來，為了實(shí)現(xiàn)組織再生和器官重建，以水凝膠為原料、利用生物材料3D打印技術(shù)構(gòu)建仿生組織工程支架是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而，如何制備與天然組織力學(xué)性能相匹配、且結(jié)構(gòu)仿生程度高的水凝膠支架是當(dāng)前亟待解決的難題。近日，東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張耀鵬、邵惠麗教授利用3D打印技術(shù)，復(fù)合絲素/細(xì)菌纖維素納米纖維（BCNFs）/明膠，制備了力學(xué)性能顯著增強(qiáng)的、具有多級(jí)仿生孔結(jié)構(gòu)的絲素/明膠/BCNFs凝膠組織工程支架。2019年5月相關(guān)研究成果以題為Bacterial cellulose nanofibers promote stress and fidelityof 3D-printed silk based hydrogel scaffold with hierarchical pores發(fā)表在CarbohydratePolymers。東華大學(xué)博士生黃利為論文第一作者，張耀鵬教授、范蘇娜助理研究員與上海理工大學(xué)朱鈺方教授為共同通訊作者。

圖1.3D打印納米纖維增強(qiáng)的絲素基多級(jí)孔水凝膠支架

該團(tuán)隊(duì)在絲素蛋白/明膠混合漿料可打印成型的條件下，通過添加細(xì)菌纖維素納米纖維來提高打印支架的打印精度和保真度，同時(shí)獲得力學(xué)性能優(yōu)異的三維復(fù)合水凝膠支架，然后對(duì)水凝膠支架經(jīng)過進(jìn)一步的冷凍干燥處理，從而獲得多具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架（圖2）。

研究表明，在絲素/明膠復(fù)合水凝膠打印墨水中加入少量的BCNFs，可顯著改善水凝膠支架的結(jié)構(gòu)保真度，使打印水凝膠支架的力學(xué)性能從0.1MPa左右增加到1.0MPa，且在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)具有良好的壓縮回復(fù)性。另外，通過調(diào)整3D打印條件，并結(jié)合冷凍干燥技術(shù)，獲得了同時(shí)具有不同尺度孔尺寸的仿生多級(jí)孔結(jié)構(gòu)支架。其中，納米纖維的直徑為20~ 40 nm；打印支架構(gòu)成線條中的微孔尺寸為10~ 20 mm；打印線條間的大孔尺寸在300~ 600 mm；宏觀3D打印支架結(jié)構(gòu)具有厘米尺度。這支架與天然生物組織的多尺度結(jié)構(gòu)相似，因而能夠?yàn)榧?xì)胞生長(zhǎng)和組織再生（圖3）提供更合適的微環(huán)境，在組織工程中具有較大的應(yīng)用潛能。

圖2.絲素/BCNFs/明膠復(fù)合支架的制備原理示意圖

該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0201702)等項(xiàng)目的資助。東華大學(xué)朱美芳、楊革生、邵惠麗、山東大學(xué)曹成波、復(fù)旦大學(xué)上海浦東醫(yī)院李得見、上海理工大學(xué)杜曉宇為本文共同作者。

圖3. （a）RSF/Gelatin-BC復(fù)合支架的降解，（b）小鼠皮下植入實(shí)驗(yàn)，（c-e,c’-e’） RSF/Gelatin-BC復(fù)合支架皮下植入1、2、4周后的H&E染色圖，比例尺（c-e）500μm，（c’-e’）50μm

L. Huang, X, Du, S.Fan*, Y. Yang, H. Shao, D. Li, C. Cao, Y. Zhu*, M. Zhu, Y. Zhang*, Carbohyd.Polym., 2019, 221, 146-156

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.05.080