清華大學、美國Drexel University和上普科學家聯(lián)合發(fā)表《Materials Today》綜述 | ...

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、細胞生長以及組織成熟提供適宜的物理化學以及生物學特性。近日，來自清華大學、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。

背景和簡介

該綜述重點關(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)用的重要進展。刺激響應(yīng)生物材料的物理化學性質(zhì)會在外界物理刺激（如光照，溫度，機械應(yīng)力，電磁場）,化學刺激（如pH值， 金屬離子），和生物學刺激（如酶，代謝產(chǎn)物，細胞牽引力）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、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。同時給出了生物墨水的主要制備標準和策略，包括單組分墨水，多組分墨水，動態(tài)墨水，納米復合墨水。隨后本文進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，合成多聚物和復合多聚物。天然多聚物獲取途徑包括動物，植物，藻類，微生物的發(fā)酵，以及酶促反應(yīng)。根據(jù)化學結(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結(jié)構(gòu)、分子量和親水性，能夠精確控制它們的物理化學性質(zhì)。復合多聚物是指結(jié)合了天然聚合物，合成聚合或者帶有無機物或生物活性分子的高分子材料，用以實現(xiàn)對環(huán)境刺激的特定或多重響應(yīng)。復合生物材料的主要優(yōu)點是能夠結(jié)合不同的特性并克服單組分造成的限制。

Table 1. Representative responsive 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)細絲，并能具有高度的結(jié)構(gòu)完整性。評估生物墨水的可打印性主要方法包括定性描述、定量測量以及模擬仿真（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，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，實現(xiàn)良好的可打印性和高細胞存活性一直是一項持久的挑戰(zhàn)，因為一些有利于可打印性的因素會對細胞存活率產(chǎn)生負面影響。例如高粘度對生物打印體的結(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)生的高剪切力會導致細胞損傷，固縮或核溶解。一些影響細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)時間，溫度），以及細胞的種類等。因此，調(diào)節(jié)生物墨水組分，優(yōu)化打印參數(shù)以維系高細胞存活率（大于90%）成為了生物打印應(yīng)用中一項關(guān)鍵的步驟。

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

圖4 打印過程中細胞損傷機制和存活率

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)計標準，包括可打印性，生物相容性，生物活性和機械性能。利用刺激響生物材料設(shè)計墨水在總體上一共有四種策略：單組分墨水，多組分墨水，動態(tài)墨水，納米復合墨水。單組分生物墨水依賴于具有適當流變和仿生特性的單組分生物材料。與多組分墨水復雜的成分和多響應(yīng)機制相比，單組分生物墨水具有更簡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)計中結(jié)合了多個刺激響應(yīng)組分，可以整合不同生物墨水成分的優(yōu)勢。動態(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形成非共價鍵和/或超分子結(jié)構(gòu)，一般具有顯著的的剪切稀化特性。納米復合生物墨水包含納米級成分，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、細胞響應(yīng)性和機械性能，適用于擠出式 3D 生物打印。

前沿和觀點

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性化醫(yī)療的基于活細胞和類器官的生物墨水。它是一種用于制造具有仿生復雜性的生物模型的前沿技術(shù)。 在過去的十年中，對結(jié)構(gòu)復雜、高分辨率和生物相容性的生物打印的需求導致人們在探索創(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行的。擠出的膠原蛋白在支撐介質(zhì)的 pH 驅(qū)動交聯(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)能夠制造復雜的組織結(jié)構(gòu)和對形狀轉(zhuǎn)換進行按需動態(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）。

因為刺激響應(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)變化等機制響應(yīng)生物和病理信號。 運輸系統(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/漸進激活來實現(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)磁場存在時的，微型游泳者可以以 3.34 ± 0.71 μm·s-1 的速度移動。 化學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雜性、機械性能和分辨率的打印體仍然是一項重大挑戰(zhàn)。我們相信未來的研究和開發(fā)有兩條路徑可以指導生物打印技術(shù)的進步。第一個是基于現(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)機制、細胞相容性和生物活性。基于研究成熟的水凝膠體系制備復合生物墨水可能是生物墨水開發(fā)的便捷策略。同時，使用新型化學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態(tài)過程，我們設(shè)想具有動態(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)的可打印性評估方法，以實現(xiàn)生物打印結(jié)果的標準化�？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?shù)碾y度，機器學習是一種強大有效的工具，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)控可打印性和檢測結(jié)構(gòu)缺陷。總體而言，我們設(shè)想響應(yīng)生物或病理信號的生物材料在精準醫(yī)學、藥物輸送、再生醫(yī)學和組織工程應(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

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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