《先進(jìn)材料》一區(qū)期刊：自組裝納米纖維狀多肽水凝膠的3D打印，推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究

導(dǎo)讀：3D打印已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)研究中使用的主要制造技術(shù)之一，近年來(lái)越來(lái)越多的研究者們對(duì)水凝膠的3D打印展開了研究，以更好的復(fù)現(xiàn)具有高機(jī)械性能的生物組織結(jié)構(gòu)。水凝膠3D打印技術(shù)面臨著許多問(wèn)題，因?yàn)樗麄兊牟牧虾苘�，很難在三維空間中高保真地形成圖案。少數(shù)形成水凝膠的生物衍生聚合物經(jīng)常被用于3D打印應(yīng)用。因此，存在著對(duì)具有理想的生物特性的新型水凝膠的需求，這些水凝膠可以作為3D打印油墨使用。


2023年2月，南極熊獲悉，來(lái)自萊斯大學(xué)生物工程系的研究者們建立了多域肽（MDP）的可打印性，他們的研究以《3D Printing of Self-Assembling Nanofibrous Multidomain Peptide Hydrogels》(《自組裝納米纖維狀多肽水凝膠的3D打印》)為題發(fā)表在了《ADVANCED MATERIALS》期刊上，推動(dòng)了水凝膠3D打印的發(fā)展。

研究背景
水凝膠的3D打印使研究人員能夠使用柔軟的、類似組織的材料復(fù)制生物結(jié)構(gòu)。在眾多3D打印方法中，基于擠壓原理的3D打印技術(shù)由于其工作原理簡(jiǎn)單且易于使用而被廣泛使用。 擠壓式3D打印中使用的墨水主要由明膠、 海藻酸鹽、 透明質(zhì)酸、 膠原、 脫細(xì)胞外基質(zhì)等材料組成。在保持生物特性的同時(shí)，研究人員對(duì)天然衍生的水凝膠材料進(jìn)行化學(xué)改性，使其更易于打印。 但自然衍生的材料存在差異，經(jīng)常需要化學(xué)改性以具有足夠的機(jī)械性能，并具有預(yù)定的生物活性。

SAP是由超分子力結(jié)合組裝成納米結(jié)構(gòu)的肽。這些納米結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)宏觀的水凝膠。SAP易于合成，可提純，具有高度的設(shè)計(jì)靈活性。合成本身是模塊化的，SAP的特性可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變其主要序列或通過(guò)加入生物活性肽序列來(lái)改變。由于SAP僅由氨基酸構(gòu)件組成，它們的化學(xué)和降解產(chǎn)物對(duì)生物無(wú)害，這是由其他聚合物制成的水凝膠所沒(méi)有的。因此，SAP提供了合成水凝膠材料的靈活性，同時(shí)也保持了天然衍生材料的生物相容性。

研究?jī)?nèi)容
在這項(xiàng)工作中，研究者們提出了多域肽（MDP）的3D打印，他們?cè)谝欢ǖ纳�理pH值和離子強(qiáng)度下形成納米纖維水凝膠。MDP具有交替的疏水和親水氨基酸的一般結(jié)構(gòu)，兩側(cè)是帶電的殘基。反離子對(duì)帶電氨基酸的屏蔽導(dǎo)致了 "疏水夾層 "的產(chǎn)生，β-片狀纖維化，并在適當(dāng)?shù)臐舛认卵杆倌�膠化為納米纖維水凝膠。MDP已被證明在體內(nèi)植入時(shí)可促進(jìn)血管化、神經(jīng)支配和高水平的細(xì)胞浸潤(rùn)，并已被用于神經(jīng)再生，癌癥治療，和疫苗輸送。不同電荷和化學(xué)功能的MDP已被發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)引起不同的免疫反應(yīng)，因此用于特定應(yīng)用的MDP可能會(huì)根據(jù)所需用途而變化。為了擴(kuò)大MDP的能力，研究人員還介紹了陰離子和陽(yáng)離子MDP的3D打印評(píng)估、優(yōu)化和體外表征。


△選擇MDP做為打印材料，用多種MDP墨水進(jìn)行3D打印優(yōu)化，以及打印難度增加的構(gòu)造（包括多材料打印）。最后，用帶相反電荷的MDP墨水來(lái)創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，并觀察不同的體外特性。

研究結(jié)論


△MDP 3D打印優(yōu)化和打印結(jié)構(gòu)

在這項(xiàng)研究中，研究人員將MDP確立為一類新的可3D打印的水凝膠。在對(duì)其超分子組裝進(jìn)行表征后，MDP被證明擁有必要的流變特性，可用于擠壓式3D打印。然后進(jìn)行了打印優(yōu)化，并利用它來(lái)創(chuàng)造復(fù)雜的懸空結(jié)構(gòu)和多材料打印。這項(xiàng)工作代表了極少數(shù)涉及SAP的3D打印論文之一，并超越了以前完成的打印復(fù)雜性水平。此外，陽(yáng)離子和陰離子MDP構(gòu)造的體外表征顯示了細(xì)胞形態(tài)的電荷依賴性差異和電荷無(wú)關(guān)的高細(xì)胞活力。應(yīng)進(jìn)一步研究擴(kuò)大MDP的打印數(shù)量，提高打印分辨率，并探索戰(zhàn)略性地使用MDP電荷來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞行為�？偟膩�(lái)說(shuō)，MDP是一類有前途的新的3D打印油墨，它是獨(dú)特的基于肽的，完全依靠超分子機(jī)制進(jìn)行組裝。