上海硅酸鹽所在無機(jī)生物墨水多細(xì)胞3D打印方面取得系列進(jìn)展

來源：中科院上海硅酸鹽所

細(xì)胞3D打印在復(fù)雜組織再生和器官再造中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為細(xì)胞的載體，生物墨水材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的生物墨水通常使用純水凝膠材料和單一種類的組織細(xì)胞，對(duì)于復(fù)雜組織和器官再生存在著再生活性和打印性能不足等問題，從而限制了生物3D打印構(gòu)建體的再生功能。

近年來，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)基于無機(jī)生物活性材料的生物墨水，在多細(xì)胞生物3D打印構(gòu)建體用于復(fù)雜組織再生方面開展了系列研究。該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種不同功能的無機(jī)生物墨水，并利用多種細(xì)胞3D打印技術(shù)構(gòu)建了用于骨-軟骨、血管化皮膚和神經(jīng)化骨再生的仿生多細(xì)胞支架，取得了系列進(jìn)展。

在骨-軟骨再生方面，該團(tuán)隊(duì)基于鋰、鎂、硅元素對(duì)骨組織和軟骨組織的雙向生物活性，開發(fā)了一種基于Li-Mg-Si（LMS）生物陶瓷的生物墨水。在此基礎(chǔ)上，利用多細(xì)胞生物3D打印技術(shù)將軟骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分層打印，構(gòu)建了仿生骨-軟骨組織的雙層多細(xì)胞支架。含LMS生物陶瓷的生物墨水不僅可以仿生軟骨下骨中的無機(jī)成分，而且還能通過釋放生物活性離子誘導(dǎo)不同細(xì)胞朝著特定的方向分化，從而同時(shí)促進(jìn)了軟骨和軟骨下骨的一體化再生。相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials Today期刊。該論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生秦宸，通訊作者為吳成鐵研究員。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.016

開發(fā)了基于LMS生物陶瓷的生物墨水，利用多細(xì)胞3D打印技術(shù)制備仿生骨-軟骨雙層多細(xì)胞支架促進(jìn)骨-軟骨組織再生

在血管化皮膚再生方面，該團(tuán)隊(duì)基于鍶、硅元素對(duì)血管再生和膠原沉積的有益作用，開發(fā)了一種基于硅酸鍶（SS）微米柱的生物墨水。在此基礎(chǔ)上，打印了含有成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞分層分布的多細(xì)胞支架，以模擬含有血管網(wǎng)絡(luò)的皮膚的生理結(jié)構(gòu)�；�于SS生物墨水的優(yōu)異生物活性，仿生多細(xì)胞支架能夠顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖和成血管化。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過皮下植入、急性創(chuàng)面和糖尿病難愈創(chuàng)面三種動(dòng)物模型證實(shí)了該支架可以作為皮膚替代物有效促進(jìn)皮膚組織的再生。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Healthcare Materials期刊。該論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生馬景閣，通訊作者為吳成鐵研究員。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202100523

基于含硅酸鍶微米柱的生物墨水，利用多細(xì)胞3D打印技術(shù)制備仿生皮膚替代物促進(jìn)急/慢性創(chuàng)面皮膚再生

近日，該研究團(tuán)隊(duì)基于無機(jī)生物墨水多細(xì)胞3D打印技術(shù)，在神經(jīng)化骨再生方面取得重要進(jìn)展。骨骼是一個(gè)高度神經(jīng)支配的復(fù)雜器官組織，骨內(nèi)神經(jīng)纖維通過分泌多種神經(jīng)遞質(zhì)（CGRP、SP、VIP等）和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（NGF、BDNF、GDNF等）等積極參與骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育與再生修復(fù)。先前的研究表明，去除神經(jīng)支配的骨組織表現(xiàn)出延遲愈合的特性，進(jìn)一步證實(shí)了骨神經(jīng)纖維對(duì)骨再生的重要調(diào)控作用。因此，通過促進(jìn)骨缺損處的神經(jīng)支配，有望進(jìn)一步加速骨修復(fù)的進(jìn)程以及提高骨再生的質(zhì)量。由于骨組織與神經(jīng)纖維具有顯著不同的生理特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)骨和骨內(nèi)神經(jīng)纖維的再生目前仍舊是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出利用無機(jī)生物墨水多細(xì)胞生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了含骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞（雪旺細(xì)胞）的多細(xì)胞支架，該支架具有同時(shí)促進(jìn)骨再生以及誘導(dǎo)宿主神經(jīng)支配的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高效的神經(jīng)化骨再生。

該團(tuán)隊(duì)首先使用水熱法合成形貌良好的無機(jī)硅酸鈣納米線（CS），然后將其均勻混合到甲基丙烯�；�明膠水凝膠（GelMA）中得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合生物墨水，接著將其與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和雪旺細(xì)胞結(jié)合，利用多通道生物3D打印設(shè)備制備具有上下層結(jié)構(gòu)的仿生多細(xì)胞神經(jīng)-骨復(fù)合構(gòu)建體。研究發(fā)現(xiàn)CS不僅可以增強(qiáng)GelMA的可打印性使得打印的支架結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，還可以提高生物墨水的機(jī)械性能，有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。此外，CS可以通過緩釋鈣、硅離子來構(gòu)建一種適宜的離子微環(huán)境來調(diào)控細(xì)胞行為。CS不僅可以促進(jìn)雪旺細(xì)胞成熟及髓鞘化相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)，還可以同時(shí)促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)以及鈣結(jié)節(jié)的形成。進(jìn)一步地，體內(nèi)大鼠顱骨損傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種基于無機(jī)生物墨水的仿生多細(xì)胞支架可以有效促進(jìn)新生骨的形成、骨整合、誘導(dǎo)宿主神經(jīng)纖維長(zhǎng)入，從而實(shí)現(xiàn)了高效的神經(jīng)化骨再生。該研究將功能性無機(jī)生物墨水與多細(xì)胞生物3D打印技術(shù)相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的神經(jīng)化組織再生提供了一種潛在的策略。該研究成果以“Calcium silicate nanowires-containing multicellular bioinks for 3D bioprinting of neural-bone constructs”為題發(fā)表在Nano Today上(Nano Today 46(2022)101584)，并申請(qǐng)專利一項(xiàng)（授權(quán)公告號(hào):CN114306731B）。論文第一作者為上海硅酸鹽所2019級(jí)博士生張洪健，通訊作者為吳成鐵研究員。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101584

相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、上海市科委等基金的支持。

含有生物活性硅酸鈣納米線的生物墨水與雪旺細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相結(jié)合，通過多細(xì)胞生物3D打印技術(shù)制備神經(jīng)-骨復(fù)合構(gòu)建體用于神經(jīng)化骨再生

體內(nèi)大鼠顱骨實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生物3D打印神經(jīng)-骨構(gòu)建體可以有效促進(jìn)新生骨的形成、骨整合、誘導(dǎo)宿主神經(jīng)纖維長(zhǎng)入，從而實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)化骨再生