一種熱響應(yīng)和光響應(yīng)生物墨水：降冰片烯官能化甲基纖維素

供稿人：張源、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D生物打印已成為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的重要工具。對于擠壓式的3D生物打印，結(jié)構(gòu)的性能很大程度上取決于生物墨水的性能。甲基纖維素（MC）因為具有生物相容性和熱響應(yīng)性，已被用作3D生物打印的生物墨水。然而，MC在室溫下溶解性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低、細胞親和力較低、不能被細胞分泌的蛋白酶降解，不適合應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D生物打印。

近日，印第安納大學(xué)的研究團隊通過一步反應(yīng)合成了降冰片烯官能化甲基纖維素（MCNB）。MCNB具有良好的流變性能、熱響應(yīng)性、光響應(yīng)性、生物相容性和打印性能，并且利用MCNB打印出來的3D結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。MC和MCNB的下臨界溶解溫度（LCST）分別為33℃和38℃。雖然MCNB的LCST更高，但熱誘導(dǎo)凝膠化所需的溫度仍然接近體溫，這有利于MCNB的生物應(yīng)用。此外，MCNB在30s內(nèi)完成了光介導(dǎo)的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，說明了MCNB具有良好的光響應(yīng)特性。在使用MCNB打印的結(jié)構(gòu)中，利用活/死細胞染色方法確定細胞的生存能力，如圖1所示，這展現(xiàn)了MCNB作為生物墨水的生物相容性和生物活性。MCNB在不同溫度下打印性能不同，在37℃時MCNB成一條連續(xù)線從噴嘴擠出，而在室溫25℃的條件下MCNB以液滴形式從噴嘴滴落。MC和MCNB都具有良好的打印性能，但是MCNB具有更高的分辨率。在室溫條件下使用MC打印的結(jié)構(gòu)由于凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變而坍塌，但是使用MCNB打印的結(jié)構(gòu)無論溫度如何，結(jié)構(gòu)都穩(wěn)定。圖2是MCNB在3wt%納米硅酸鹽支撐浴中打印的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，例如耳、鼻、血管和肝臟結(jié)構(gòu)。

圖1 MCNB中活/死細胞染色共聚焦圖像

圖2 使用MCNB打印的結(jié)構(gòu)

圖3 GelNB/MCNB中細胞染色圖像

此外，研究團隊還將生物活性GelNB與MCNB結(jié)合，制成復(fù)合生物墨水。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合生物墨水即使是在高于上臨界溶解溫度（UCST）和低于下臨界溶解溫度（LCST），也會發(fā)生凝膠現(xiàn)象。復(fù)合生物墨水具有更強的打印性能，在低于LCST的溫度下，也能產(chǎn)生清晰的打印晶格。同時，復(fù)合生物墨水改善了印刷基質(zhì)的生物活性，如圖3所示，在培養(yǎng)10天后細胞依然表現(xiàn)出優(yōu)異的存活率。 這項研究充分表現(xiàn)了MCNB作為生物墨水的巨大潛力。

參考文獻：
Kim Min Hee,Lin Chien-Chi. Norbornene-functionalized methylcellulose as a thermo- and photo-responsive bioink[J]. Biofabrication,2021,13(4):