Biomaterials：結(jié)合光固化投影式3D打印和正交光共軛生物制造方法

來源： EngineeringForLife

生物3D打印的一個極大的優(yōu)勢就是能使細(xì)胞、生物材料和生物活性劑受控地放置在的打印結(jié)構(gòu)中，從而用于生物組織和器官的制造。然而，目前細(xì)胞兼容性和生物材料可打印性等諸多因素限制了生物3D打印的應(yīng)用。

近期，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的陳紹琛教授課題組在“Biomaterials”上發(fā)表的“A sequential 3D bioprinting and orthogonal bioconjugation approach for precision tissue engineering”一文中，研究人員開發(fā)了一個集成投影式光固化3D打印和正交光共軛的制造平臺，其可用于制造精密的組織工程結(jié)構(gòu)。研究人員還通過使用光活性硫醇-烯明膠生物墨水進(jìn)行光固化投影打印，實現(xiàn)含有生物因子且質(zhì)地較軟的水凝膠的快速成型，從而使得對生物物理性質(zhì)的局部調(diào)節(jié)以及對固定化官能團(tuán)的空間分布和濃度的精確控制成為可能。

首先，研究人員合成了一種由降冰片烯官能化明膠(GelNB)和巰基官能化明膠(GelSH)兩種前驅(qū)體組成的純明膠硫醇-烯預(yù)聚體(圖1)，并使用該水凝膠進(jìn)行了視網(wǎng)膜毛細(xì)血管的設(shè)計打印，其分辨率小可至10-30μm。

圖1 利用基于光固化投影生物3D打印和正交生物偶聯(lián)平臺進(jìn)行生物功能化GelNB-GelSH水凝膠的成型制造

鑒于GelNB-GelSH材料的打印適宜性，研究人員隨后研究了不同摩爾比對打印水凝膠物理及生物性能的影響（圖2）。結(jié)果表明所有的GelNB-GelSH水凝膠在達(dá)到溶脹平衡后的7天內(nèi)都保持穩(wěn)定，沒有明顯的尺寸變化。隨后研究人員為了評估GelNB-GelSH水凝膠作為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSC)支持基質(zhì)的潛力，將IPSC來源的心肌細(xì)胞(IPSC-CMS)包裹在水凝膠中進(jìn)行打印，從活/死染色圖像中可觀察出，在7天內(nèi)GelNB-GelSH水凝膠中幾乎沒檢測到死亡的細(xì)胞，這證實了生物3D打印GelNB-GelSH水凝膠用于制造心臟和血管組織工程應(yīng)用的功能性細(xì)胞負(fù)載組織結(jié)構(gòu)的潛力。

圖2 GelNB-GelSH水凝膠的物理特性和包裹細(xì)胞的生物相容性

隨后，研究人員就光修飾蛋白在GelNB-GelSH水凝膠中的空間可控性進(jìn)行了研究(圖3)。實驗結(jié)果表明，該制造平臺和GelNB-GelSH水凝膠系統(tǒng)固有的可調(diào)諧性可根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生復(fù)雜的光共軛設(shè)計，從而為可重復(fù)性的生物功能基質(zhì)提供了更多的可能性。

圖3 利用光固化投影打印方法控制固定化蛋白在GelNB-GelSH水凝膠中進(jìn)行定制化分布

最后，研究人員對生物功能化GelNB-GelSH水凝膠的可編程內(nèi)皮細(xì)胞生長進(jìn)行了研究（圖4）。為體現(xiàn)生物3D打印能夠隨著時間的推移控制細(xì)胞未來的行為，以確�？蓪�細(xì)胞的體外或體內(nèi)的遷移、增殖和分化等生物學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，研究人員利用該平臺構(gòu)建了3D化學(xué)導(dǎo)向模型，從而產(chǎn)生可編程的組織血管化。

圖4 血管內(nèi)皮生長因子模擬光觸發(fā)用于指導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、增殖和方向性

綜上所述，該研究基于硫醇-烯點擊化學(xué)的正交性和光反應(yīng)特性開發(fā)了集成光固化投影式生物3D打印和正交光共軛結(jié)合的制造平臺，該平臺可制造出具有可編程功能的仿生組織，并通過結(jié)合天然的硫醇-烯聚合物實現(xiàn)定制化的3D組織環(huán)境，從而來控制不同的細(xì)胞行為結(jié)果并制造具有可編程功能的仿生組織。展望未來，這項技術(shù)將在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新的方向，以構(gòu)建具有變革性的生物3D打印細(xì)胞基質(zhì)，其可用于構(gòu)建具有變革性的生物3D打印細(xì)胞基質(zhì)、組織修復(fù)、疾病模型和干細(xì)胞工程等諸多應(yīng)用中去。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0142961220305408