絲素蛋白水凝膠支架4D打印在組織工程中的應(yīng)用

供稿人：曹陽(yáng) 導(dǎo)師：田小永
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

組織工程是將種子細(xì)胞，支架材料和生物活性因子通過(guò)有效方法結(jié)合，在體外或體內(nèi)構(gòu)建組織或器官的新興學(xué)科。絲素蛋白作為一種天然材料，可被加工成水凝膠、納米纖維、多孔支架等不同形態(tài)，其具有良好的力學(xué)性能、生物相容性和可調(diào)降解速率，降解產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害，得到了科研人員的廣泛研究。采用形狀記憶材料通過(guò)4D打印成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在植入體內(nèi)后自動(dòng)變形為支架結(jié)構(gòu)，可極大程度降低治療過(guò)程中病患所受痛苦。2020年韓國(guó)翰林大學(xué)開(kāi)展了一項(xiàng)研究，采用絲素蛋白水凝膠4D生物打印制備了氣管支架，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明該支架能夠較好的與宿主器官整合在一起，在緩慢降解的過(guò)程中誘導(dǎo)組織和軟骨生長(zhǎng)，具有較大的臨床應(yīng)用價(jià)值。

研究人員從兔耳軟骨中分離出軟骨細(xì)胞，在培養(yǎng)基中培養(yǎng)三周后，采用特制的光固化生物墨水（甲基丙烯酸縮水甘油酯改性絲素蛋白，Sli-MA）通過(guò)4D DLP技術(shù)打印制備了實(shí)驗(yàn)所需氣管支架。下圖比較了4D DLP打印與普通DLP打印的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)。

圖1 普通DLP打印與4D DLP打印性能對(duì)比 （a）DLP打印過(guò)程示意圖，（b）4D DLP打印技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)：可同時(shí)打印具有兩種或以上材料類(lèi)型的曲面結(jié)構(gòu)，（c）4D DLP打印速度相較普通DLP打印而言更快。

打印完成后，研究人員對(duì)支架變形效果進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)表明，支架在浸入溶液后，能夠在60分鐘內(nèi)緩慢完成變形為預(yù)設(shè)形狀，通過(guò)控制溶液的鹽離子濃度可以改變支架彎曲的曲率。隨后研究人員對(duì)支架進(jìn)行了為期兩周的體外模擬培育試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，大量軟骨細(xì)胞和膠原蛋白附著在支架表面，說(shuō)明支架對(duì)相關(guān)組織和細(xì)胞能夠起到較好的生長(zhǎng)誘導(dǎo)作用。最終，研究人員采用試驗(yàn)用白兔完成了支架的氣管內(nèi)移植，證明了支架對(duì)氣管康復(fù)具有明顯促進(jìn)作用。下圖為支架體外培育實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖2 支架體外模擬培育實(shí)驗(yàn)（上下分別為1周、2周時(shí)細(xì)胞組織的生長(zhǎng)情況，通過(guò)染色觀(guān)察得知，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，軟骨細(xì)胞和膠原蛋白區(qū)域顯著增加）
綜合目前研究來(lái)看，絲素蛋白水凝膠材料在組織工程臨床應(yīng)用中前景廣闊，通過(guò)4D打印成型個(gè)性化精細(xì)結(jié)構(gòu)，能滿(mǎn)足各類(lèi)患者人群的需求，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療定制化。將兩者結(jié)合，采用生物降解材料打印完整支架并移植入病患位置，能夠有效解決疾病或其他因素導(dǎo)致的組織缺損問(wèn)題，為較大范圍組織缺損和損傷提供了新思路，具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：
Kim S H, Seo Y B, Yeon Y K, et al. 4D-bioprinted silk hydrogels for tissue engineering[J]. Biomaterials, 2020,260:120281.