清華大學(xué)、美國德雷塞爾大學(xué)和上普科學(xué)家聯(lián)合發(fā)表《Materials Today》綜述|刺激響...

刺激響應(yīng)性生物材料是生物3D打印的重要原材料，能為結(jié)構(gòu)成形、細(xì)胞生長(zhǎng)以及組織成熟提供適宜的物理化學(xué)以及生物學(xué)特性。近日，來自清華大學(xué)、美國Drexel University和上普的生物3D打印研究者合作，在Materials Today（影響因子=31.04）上發(fā)表了題為“Responsive biomaterials for 3D bioprinting: a review”的綜述文章。

背景和簡(jiǎn)介

該綜述重點(diǎn)關(guān)注了近年來基于刺激響應(yīng)生物材料的生物墨水在擠出式生物3D打印應(yīng)用的重要進(jìn)展。刺激響應(yīng)生物材料的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)在外界物理刺激（如光照，溫度，機(jī)械應(yīng)力，電磁場(chǎng)）,化學(xué)刺激（如pH值， 金屬離子），和生物學(xué)刺激（如酶，代謝產(chǎn)物，細(xì)胞牽引力）等環(huán)境作用下產(chǎn)生可控的變化。相應(yīng)的材料響應(yīng)包括物理/化學(xué)交聯(lián)，鍵裂，流變性質(zhì)變化，形態(tài)變化等。擠出式生物打印對(duì)生物墨水的剪切稀化、快速和可控膠凝和生物響應(yīng)性有特殊的要求，因而刺激響應(yīng)生物材料在墨水設(shè)計(jì)、打印結(jié)構(gòu)快速成型和打印體生物活性等方面都有巨大的應(yīng)用潛力。本文總結(jié)了生物3D打印領(lǐng)域常用的刺激響應(yīng)生物材料，并從可打印性、結(jié)構(gòu)成型、細(xì)胞存活率和打印體生物活性的角度探討了多功能響應(yīng)生物材料的應(yīng)用策略。同時(shí)給出了生物墨水的主要制備標(biāo)準(zhǔn)和策略，包括單組分墨水，多組分墨水，動(dòng)態(tài)墨水，納米復(fù)合墨水。隨后本文進(jìn)一步討論了刺激響應(yīng)性生物材料在生物3D打印的一些潛在應(yīng)用，包括懸浮支撐打印、生物4D打印和打印藥物釋放載體。最后，本文從刺激響應(yīng)生物材料研發(fā)制備和生物打印技術(shù)創(chuàng)新的角度，給出了未來創(chuàng)新性多功能生物墨水設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

圖1 刺激響應(yīng)生物材料在生物3D打印中的應(yīng)用

刺激響應(yīng)生物材料總體分類
刺激響應(yīng)生物材料按照材料來源和組分可以分類為：天然多聚物，合成多聚物和復(fù)合多聚物。天然多聚物獲取途徑包括動(dòng)物，植物，藻類，微生物的發(fā)酵，以及酶促反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)，天然多聚物主要分為多糖，蛋白質(zhì)和多聚核苷酸。由于其極高的生物相容性，天然多聚物在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。合成聚合物可以通過光、熱引發(fā)的一種或者多種單體的均聚物反應(yīng)和共聚物反應(yīng)聚合而形成。生物打印中常見的合成聚合物包括聚乙二醇（PEG），泊洛沙姆，聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），聚乙烯醇（PVA），聚氨酯等等。合成的聚合物水凝膠通常具有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量和親水性，能夠精確控制它們的物理化學(xué)性質(zhì)。復(fù)合多聚物是指結(jié)合了天然聚合物，合成聚合或者帶有無機(jī)物或生物活性分子的高分子材料，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境刺激的特定或多重響應(yīng)。復(fù)合生物材料的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠結(jié)合不同的特性并克服單組分造成的限制。

Table 1. Representativeresponsive biomaterials for 3D bioprinting

刺激響應(yīng)生物材料在可打印性方面的重要性

具有良好可打印性的生物墨水可以順暢地通過打印噴嘴，形成具有高度形狀保持能力的連續(xù)細(xì)絲，并能具有高度的結(jié)構(gòu)完整性。評(píng)估生物墨水的可打印性主要方法包括定性描述、定量測(cè)量以及模擬仿真（圖2）。影響生物墨水可打印性的因素是多方面的，包括材料特性（如粘度，剪切稀化，成膠速率，表面張力），以及打印條件（如擠出壓強(qiáng)，打印速率，噴嘴尺寸，溫度控制）。由于刺激響應(yīng)生物材料在外界刺激條件下具有可控的物理化學(xué)變化，因而在調(diào)控生物墨水可打印性上有重要的作用。表2列舉了通過刺激響應(yīng)生物材料的特性調(diào)控生物墨水可打印性的一般策略。生物墨水在擠出之后應(yīng)當(dāng)被立即交聯(lián)以保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。由于刺激響應(yīng)生物材料在剪切力，超聲波，光照，溫控，pH值，離子，等條件變化下能產(chǎn)生交聯(lián)，因此在生物打印過程中調(diào)控刺激條件是調(diào)控生物墨水可打印性的重要一環(huán)（圖3）。

圖2 可打印性的定量和定性測(cè)定

表 2. 調(diào)控生物墨水可打印性的策略

圖3 基于刺激響應(yīng)生物材料的生物膜水交聯(lián)機(jī)理和在生物打印的應(yīng)用策略

刺激響應(yīng)生物材料在生物相容性方面的重要性
在生物打印中，實(shí)現(xiàn)良好的可打印性和高細(xì)胞存活性一直是一項(xiàng)持久的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐恍┯欣�于可打印性的因素�?huì)對(duì)細(xì)胞存活率產(chǎn)生負(fù)面影響。例如高粘度對(duì)生物打印體的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性方面有很大助益，但是擠出高粘度的生物墨水所產(chǎn)生的高剪切力會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷，固縮或核溶解。一些影響細(xì)胞的存活率的因素包括：生物墨水的材料特性（如流變性，粘度），打印參數(shù)（如打印速率，交聯(lián)時(shí)間，溫度），以及細(xì)胞的種類等。因此，調(diào)節(jié)生物墨水組分，優(yōu)化打印參數(shù)以維系高細(xì)胞存活率（大于90%）成為了生物打印應(yīng)用中一項(xiàng)關(guān)鍵的步驟。

因?yàn)樯�物活性材料可以與細(xì)胞相互作用并引發(fā)特定的細(xì)胞反應(yīng)（如增值，分化，遷移），所以生物墨水的生物活性對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)和生物打印組織結(jié)構(gòu)的成熟至關(guān)重要。總體上，用于增強(qiáng)生物活性的策略包括：混合天然聚合物和生化因子（如生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子和蛋白質(zhì)），化學(xué)結(jié)合生物活性基序（如肽序列，生長(zhǎng)因子）和脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)（dECM） 生物墨水的使用。

圖4 打印過程中細(xì)胞損傷機(jī)制和存活率

生物墨水制備策略概述
基于刺激響應(yīng)生物材料配制生物墨水遵循一系列生物墨水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括可打印性，生物相容性，生物活性和機(jī)械性能。利用刺激響生物材料設(shè)計(jì)墨水在總體上一共有四種策略：?jiǎn)谓M分墨水，多組分墨水，動(dòng)態(tài)墨水，納米復(fù)合墨水。單組分生物墨水依賴于具有適當(dāng)流變和仿生特性的單組分生物材料。與多組分墨水復(fù)雜的成分和多響應(yīng)機(jī)制相比，單組分生物墨水具有更簡(jiǎn)單的可控性和打印過程，在某些情況下，這可能是生物打印的更好選擇。而多組分墨水在墨水設(shè)計(jì)中結(jié)合了多個(gè)刺激響應(yīng)組分，可以整合不同生物墨水成分的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)態(tài)墨水的典型代表是制備可以自組裝形成超分子網(wǎng)絡(luò)的生物墨水，這些生物墨水中的成分會(huì)形成非共價(jià)鍵和/或超分子結(jié)構(gòu)，一般具有顯著的的剪切稀化特性。納米復(fù)合生物墨水包含納米級(jí)成分，例如納米纖維、納米管、納米顆粒和其他納米材料。已有研究證明，在墨水中添加納米材料可產(chǎn)生出色的剪切稀化特性、細(xì)胞響應(yīng)性和機(jī)械性能，適用于擠出式 3D 生物打印。前沿和觀點(diǎn)

3D 生物打印已經(jīng)從打印生物相容性材料發(fā)展到打印用于組織再生和個(gè)性化醫(yī)療的基于活細(xì)胞和類器官的生物墨水。它是一種用于制造具有仿生復(fù)雜性的生物模型的前沿技術(shù)。在過去的十年中，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高分辨率和生物相容性的生物打印的需求導(dǎo)致人們?cè)谔剿鲃?chuàng)新的生物墨水和生物打印策略方面付出了巨大的努力。

具有剪切稀化或觸變特性的生物材料還被用作懸浮打印的支撐介質(zhì)，從而用于傳統(tǒng)生物打印無法打印的材料和結(jié)構(gòu)。Lee 等人提出了一種懸浮水凝膠的打印策略（FRESH）來制造人體心臟組件。FRESH 是通過將膠原蛋白打印到由熱響應(yīng)明膠微粒漿液制成的支撐浴中進(jìn)行的。擠出的膠原蛋白在支撐介質(zhì)的 pH 驅(qū)動(dòng)交聯(lián)后，在 37 °C 條件下明膠支撐介質(zhì)可以被順利移除（圖4A）。

4D 生物從 3D 打印演變而來并將時(shí)間作為第四維度引入。通過打印刺激響應(yīng)生物材料獲得的 4D 打印仿生結(jié)構(gòu)會(huì)響應(yīng)外部或內(nèi)部刺激而發(fā)生形狀轉(zhuǎn)變。4D 生物打印技術(shù)能夠制造復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和對(duì)形狀轉(zhuǎn)換進(jìn)行按需動(dòng)態(tài)控制。Kirillova等人開發(fā)了一種4D生物打印自折疊管狀結(jié)構(gòu)的方法。由于在交聯(lián)時(shí)打印體不同高度的材料光的吸收率不同，而產(chǎn)生交聯(lián)梯度，2D結(jié)構(gòu)在浸入水溶液后因膨脹系數(shù)的差異從而折疊形成管狀結(jié)構(gòu)（圖4B）。

因?yàn)榇碳ろ憫?yīng)生物材料具有與生物環(huán)境交流的固有能力，所以它們可用作藥物的運(yùn)輸載體。這些“智能”生物材料可以通過溶脹/收縮、斷裂鍵、表面變化和結(jié)構(gòu)變化等機(jī)制響應(yīng)生物和病理信號(hào)。運(yùn)輸系統(tǒng)的受控藥物釋放是通過自我調(diào)節(jié)或通過外部或內(nèi)部刺激直接/漸進(jìn)激活來實(shí)現(xiàn)的。Bozuyuk 等人打印了由甲基丙烯酰胺殼聚糖和超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPION）制成的微型游泳裝置（圖5C）。使用雙光子直接激光寫入將墨水制成雙螺旋幾何形狀。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)存在時(shí)的，微型游泳者可以以 3.34 ± 0.71 μm·s-1 的速度移動(dòng)。化學(xué)治療性阿霉素用疊氮化物被修飾并整合到光裂解分子的炔烴端。在用 365 nm 紫外光照射后，連接分子被切割然后藥物得意釋放（圖4C）。

在打印過程中可打印性與細(xì)胞存活率之間存在的不相容性仍有待解決。打印具有天然組織的復(fù)雜性、機(jī)械性能和分辨率的打印體仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。我們相信未來的研究和開發(fā)有兩條路徑可以指導(dǎo)生物打印技術(shù)的進(jìn)步。第一個(gè)是基于現(xiàn)有的打印技術(shù)，將新型刺激響應(yīng)性生物材料設(shè)計(jì)和制備成合適的生物墨水。具體而言，生物墨水的開發(fā)應(yīng)側(cè)重于配方、交聯(lián)機(jī)制、細(xì)胞相容性和生物活性�；�于研究成熟的水凝膠體系制備復(fù)合生物墨水可能是生物墨水開發(fā)的便捷策略。同時(shí)，使用新型化學(xué)合成手段制備多功能響應(yīng)性水凝膠系統(tǒng)始終是開發(fā)用于 3D 生物打印的新型生物墨水的一種選擇�？紤]到天然生物組織形成的動(dòng)態(tài)過程，我們?cè)O(shè)想具有動(dòng)態(tài)粘彈性的響應(yīng)材料在 3D 生物打印中具有應(yīng)用前景。另一條路徑是利用生物材料的刺激響應(yīng)特性開發(fā)創(chuàng)新性生物打印技術(shù)和策略。此外，應(yīng)建立相關(guān)的可打印性評(píng)估方法，以實(shí)現(xiàn)生物打印結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化�？紤]到在生物打印相關(guān)參數(shù)和物理模型之間建立有效聯(lián)系具有相當(dāng)?shù)碾y度，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種強(qiáng)大有效的工具，可以通過多種方式優(yōu)化打印過程來改善生物打印結(jié)果，例如調(diào)整構(gòu)造結(jié)構(gòu)、調(diào)控可打印性和檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷。總體而言，我們?cè)O(shè)想響應(yīng)生物或病理信號(hào)的生物材料在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、藥物輸送、再生醫(yī)學(xué)和組織工程應(yīng)用中具有巨大潛力。

圖5 刺激響應(yīng)生物材料在懸浮打印，生物3D打印和打印藥物釋放載體上的應(yīng)用

文章來源：Z. Fu, L. Ouyang*, R. Xu, Y. Yang, W. Sun*, Responsive Biomaterialsfor 3D Bioprinting: A Review. Materials Today, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.01.001