載細(xì)胞的活性導(dǎo)電水凝膠結(jié)構(gòu)3D打印方法研究

供稿人:王宇濤 賀健康
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

生物3D打印技術(shù)由于具有構(gòu)建仿生組織結(jié)構(gòu)的潛力，受到了來(lái)自各國(guó)專家學(xué)者和相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。生物打印技術(shù)制造的仿生結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等方面。理想情況下，用于3D生物打印的生物材料應(yīng)與天然組織的機(jī)械性能、流變性能以及生物電學(xué)性能及相匹配。但是，目前用于生物3D打印的具備一定導(dǎo)電性能的墨水材料研究還比較有限，相應(yīng)的材料體系和打印方法還有待開(kāi)發(fā)。

Andrew R.等研究人員利用生物性能良好的光固化明膠（GelMA）和導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）合成了可用于浸沒(méi)式生物打印的導(dǎo)電水凝膠。

該導(dǎo)電水凝膠通過(guò)PEDOT：PSS與二價(jià)鈣離子的第一步交聯(lián)以及可見(jiàn)光對(duì)GelMA的第二步交聯(lián)（光聚合）來(lái)合成。通過(guò)改變材料體系內(nèi)組分的含量可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水凝膠的機(jī)械性能（楊氏模量約為40-150 kPa），改變PEDOT：PSS的濃度可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1.導(dǎo)電生物墨水（GelMA / PEDOT：PSS）的合成以及物理和微觀結(jié)構(gòu)的表征

研究人員通過(guò)優(yōu)化打印工藝制造了具備復(fù)雜圖案的3D載細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示與非導(dǎo)電的水凝膠相比，封裝在導(dǎo)電水凝膠內(nèi)C2C12細(xì)胞的顯示出很高的細(xì)胞活性（>95%）和細(xì)胞鋪展性，如圖2所示。另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也表明與對(duì)照組相比導(dǎo)電水凝膠植入物在動(dòng)物體內(nèi)降解時(shí)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的炎癥反應(yīng)且基本降解完全。

圖2.使用導(dǎo)電生物墨水對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D生物打印及細(xì)胞活性及鋪展性表征

這項(xiàng)研究提出了一種生物相容性良好的導(dǎo)電墨水的開(kāi)發(fā)及打印方法，可用于復(fù)雜的載細(xì)胞結(jié)構(gòu)的3D生物打印。該生物墨水在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出可調(diào)的物理性質(zhì)（機(jī)械剛度和電導(dǎo)率）和高度的生物相容性。浸沒(méi)式打印工藝下，制造精度可高達(dá)120μm。雖未觀察到細(xì)胞定向排列的情況，但導(dǎo)電聚合物（PEDOT：PSS）的添加明顯改善了水凝膠的電導(dǎo)率和打印保真度，同時(shí)保持了封裝在3D結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞的高生存能力。相信隨著材料技術(shù)和打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)電水凝膠的生物打印策略可為肌肉和心肌組織工程所面臨的的問(wèn)題提供更好的解決思路。

參考文獻(xiàn)：
Spencer, Andrew R.; Sani, Ehsan Shirzaei; Soucy, Jonathan R. Bioprinting of a Cell-Laden Conductive Hydrogel Composite. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 30518-30533