基于GelMA雙層網(wǎng)絡(luò)載細(xì)胞混合打印軟組織移植物

來(lái)源： EngineeringForLife

當(dāng)前再生治療中，軟組織缺損仍然是無(wú)法攻克的難題。因?yàn)檐浗M織缺損的大小，形狀和組織組成不盡相同，所以沒(méi)有單一的解決方案能夠重建具有相同體積和機(jī)械特性的替代組織。當(dāng)前的臨床技術(shù)用天然材料（例如游離的脂肪組織移植物和自體真皮脂肪皮瓣）和合成材料（例如可商購(gòu)的有機(jī)硅植入物）做為暫時(shí)解決方案。然而由于形狀保持效率低下和美學(xué)效果無(wú)法預(yù)測(cè)，以上臨床治療導(dǎo)致患者滿意度低，因此必須采取更強(qiáng)有力的策略來(lái)修復(fù)軟組織缺損。

基于擠出的3D打印以天然組織的特征為參照，通過(guò)以有組織的逐層方式精確放置細(xì)胞和基質(zhì)材料，從而在定制形狀的軟組織等效物的制造中加以利用。盡管此制造方法有利，但將該技術(shù)應(yīng)用于軟組織工程時(shí)，存在常見(jiàn)的材料問(wèn)題。例如，各種天然衍生的聚合物（例如膠原蛋白/明膠，藻酸鹽，纖維蛋白和透明質(zhì)酸）可打印性好，且供體部位的發(fā)病率和免疫反應(yīng)小，但在體內(nèi)會(huì)迅速變形和塌陷。相反，合成的聚己內(nèi)酯和聚（D，L）-丙交酯等聚合物與天然軟組織具有機(jī)械失配，不存在用于細(xì)胞附著的表面配體，并且降解產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞的代謝和增殖產(chǎn)生負(fù)面影響。盡管生物墨水配方取得了進(jìn)步，但沒(méi)有任何一種墨水能夠模仿軟組織，并且具有長(zhǎng)期的形狀和尺寸保持，機(jī)械穩(wěn)定性以及主體整合能力。

圖1 打印墨水和混合支架示意圖

為了解決這些局限性，近期，馬里蘭大學(xué)John P. Fisher團(tuán)隊(duì)發(fā)表在期刊“Advanced Functional Materials”題為“Hybrid 3D Printing of Synthetic and Cell-Laden Bioinks for Shape Retaining Soft Tissue Grafts”的研究成果提出了一種新穎的雙重生物墨水3D打印策略。該策略利用不可降解和可生物降解水凝膠的優(yōu)勢(shì)來(lái)創(chuàng)造具有長(zhǎng)期形狀和體積保留的仿生構(gòu)造（圖1）。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種墨水：與天然衍生和物理交聯(lián)的藻酸鹽共價(jià)連接的聚乙二醇（PEG）的雙網(wǎng)絡(luò)（DN），以及甲基丙烯酸明膠（GelMA）的可生物降解的充滿細(xì)胞的生物油墨。DN墨水可提供必要的強(qiáng)大物理支持，以保持長(zhǎng)期的移植物體積和結(jié)構(gòu)，而可降解的生物墨水提供刺激組織再生所必需的生物環(huán)境（圖1A）。這種打印方法可以精確地沉積水凝膠纖維，在功能上可以相互補(bǔ)充，并可以構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，例如鼻子，耳朵和甲狀腺軟骨（圖1B）。

圖2 溶脹特性

圖3 不同打印形式的機(jī)械性能測(cè)試

圖4 復(fù)雜形狀保真度

此外，開(kāi)發(fā)了一種利用CloudCompare軟件的新形狀分析技術(shù)，該技術(shù)擴(kuò)展了用于評(píng)估支架美學(xué)特性的可用工具箱。借助這種動(dòng)態(tài)3D生物打印策略，可以通過(guò)更改不可降解與犧牲鏈的打印比例來(lái)輕松調(diào)制具有堅(jiān)固內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何形狀。這種混合打印制造平臺(tái)的多功能性可以激發(fā)未來(lái)多材料再生植入物的設(shè)計(jì)。

圖5 點(diǎn)云彩色圖比較

論文地址：
https://doi.org/10.1002/adfm.201907145.