《Materials Horizons》綜述：點(diǎn)擊化學(xué)讓生物3D打印更安全

來(lái)源： EngineeringForLife

生物墨水被用于制造含有細(xì)胞和大分子的3D支架，這些細(xì)胞和分子可應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)。為了能夠成功制備生物墨水，采用了使用交聯(lián)劑的策略。然而，其中一些策略可能會(huì)損害生物墨水的細(xì)胞相容性。為了規(guī)避這一挑戰(zhàn)，有人提議采用點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)。點(diǎn)擊化學(xué)可以在不存在有問(wèn)題的交聯(lián)劑的情況下制備調(diào)節(jié)良好的生物墨水，同時(shí)確保生物墨水有利的凝膠化速率、降解速率和細(xì)胞活力特性不受影響。

近日，來(lái)自信陽(yáng)師范大學(xué)的聶磊、金陵工業(yè)大學(xué)的鄧亞玲聯(lián)合布魯塞爾自由大學(xué)的Amin Shavandi團(tuán)隊(duì)研究探索了在特定的生物打印技術(shù)中使用不同點(diǎn)擊化學(xué)物質(zhì)的潛力。還確定了使用點(diǎn)擊化學(xué)生產(chǎn)的主要生物墨水，并討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來(lái)的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)這篇綜述將為生物工程師提供重要資源，并為未來(lái)選擇特定生物墨水功能的首選點(diǎn)擊化學(xué)物質(zhì)奠定基礎(chǔ)，從而對(duì)組織工程領(lǐng)域具有寶貴價(jià)值。相關(guān)論文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在線發(fā)表于雜志《Materials Horizons》上。

點(diǎn)擊化學(xué)受到自然界生物分子合成的啟發(fā)，專注于化學(xué)反應(yīng)的效率、自發(fā)性、選擇性和模塊性。它可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)小單元的剪接或動(dòng)態(tài)組合來(lái)合成各種分子。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)是指在嚴(yán)格的技術(shù)要求控制下，在溫和的反應(yīng)條件下，利用活性反應(yīng)物“連接”基于C-X-C鍵的分子物質(zhì)或組分的化學(xué)技術(shù)。它具有原料易得、對(duì)水或氧氣不敏感、反應(yīng)速度快、產(chǎn)物易于分離和產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。3D生物打印領(lǐng)域中常見的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)主要包括：疊氮炔環(huán)加成反應(yīng)、菌株促進(jìn)疊氮炔環(huán)加成、Diels-Alder反應(yīng)、硫醇烯反應(yīng)、硫醇-邁克爾反應(yīng)、肟點(diǎn)擊反應(yīng)和醛酰肼反應(yīng)（圖1）。

圖1 3D生物打印中使用的點(diǎn)擊化學(xué)總結(jié)

擠出生物打印技術(shù)對(duì)細(xì)胞和材料具有廣泛的選擇性，能夠以高細(xì)胞密度分散高粘性生物墨水。擠出生物打印系統(tǒng)通過(guò)噴嘴連續(xù)擠壓生物墨水，形成逐層制造的3D結(jié)構(gòu)（圖2）。立體光刻（SLA）生物打印是一種無(wú)噴嘴的3D打印技術(shù)，通過(guò)光引發(fā)實(shí)現(xiàn)分層固化�；�于紫外線光敏材料的聚合原理，將液體光敏聚合物選擇性地逐層固化，自下而上建立三維模型（圖3）。噴墨3D打印作為一種非接觸式打印形式，也是生物3D打印中最常用的方法。其工作原理是超聲波或加熱驅(qū)動(dòng)生物墨水液滴噴射到平臺(tái)上的指定位置，并最終通過(guò)逐層形成完整的圖案（圖4）。

圖2 可光點(diǎn)擊生物墨水的設(shè)計(jì)及其細(xì)胞嵌入的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 基于硫醇烯光化學(xué)的立體光刻及其力學(xué)行為

圖4 噴墨3D打印生物基彈性體，利用光引發(fā)的硫醇烯點(diǎn)擊化學(xué)

生物墨水是指水凝膠形式的生物材料溶液或各種生物材料和細(xì)胞的混合物。所需的生物墨水應(yīng)滿足三個(gè)基本要求，即可印刷性、良好的結(jié)構(gòu)完整性和印刷后的穩(wěn)定性以及適當(dāng)?shù)募?xì)胞相容性。作者重點(diǎn)介紹了用于生物打印的典型生物墨水的詳細(xì)特征和化學(xué)結(jié)構(gòu)（表1和表2）。

表1 用于3D打印的典型生物墨水的詳細(xì)特性（部分）

表2 用于點(diǎn)擊反應(yīng)的功能化生物墨水化學(xué)結(jié)構(gòu)（部分）

透明質(zhì)酸（HA）是一種天然酸性糖胺聚糖，具有良好的生物相容性和良好的親水性。然而，純HA由于其粘性液體行為和缺乏維持三維結(jié)構(gòu)的凝膠化能力而不能形成滿足多種條件的成熟生物墨水。通過(guò)用巰基或烯基修飾HA可以有效地彌補(bǔ)HA的不足。這可以解決細(xì)胞封裝、生物打印、微細(xì)胞毒性等問(wèn)題（圖5）。

圖5 透明質(zhì)酸生物墨水栓系轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1的交聯(lián)機(jī)理及表征

明膠是膠原蛋白部分水解的天然聚合物，有利于促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖。由于明膠具有溫度敏感性和熱可逆性，在生物打印過(guò)程中經(jīng)常用作犧牲材料。在印刷結(jié)構(gòu)完成后，將其溶解以獲得所需的產(chǎn)品。硫醇烯修飾明膠生物墨水具有多功能性和可控性，能夠打印所需的幾何形狀和結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 硫醇烯化學(xué)明膠降冰片烯基生物墨水和生物打印

海藻酸鹽溶液具有良好的流動(dòng)性，由于其在生理環(huán)境中的快速凝膠化性能，通常作為生物墨水用于噴墨打印。然而，其低的細(xì)胞粘附性和較差的成型性能影響了所得3D結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、形狀保真度和打印精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)用功能分子修飾藻酸鹽或與其他大分子混合來(lái)改善藻酸鹽生物墨水的物理化學(xué)性質(zhì)。



纖維素是一種線性多糖，其分子結(jié)構(gòu)富含羥基。未經(jīng)修飾的纖維素在熔化和流動(dòng)之前將經(jīng)歷熱分解，從而限制了其在3D打印中的應(yīng)用。然而，官能化纖維素可用于制備生物墨水（圖7）。

圖7 CMC、HEC、MC.A.CMC-NB的化學(xué)結(jié)構(gòu)、改性反應(yīng)、交聯(lián)機(jī)理及其通過(guò)硫醇-烯反應(yīng)的交聯(lián)機(jī)理

殼聚糖由葡糖胺和N-乙酰葡糖胺以β（1-4）的方式連接而成，是甲殼素脫乙酰后的產(chǎn)物。3D打印的殼聚糖水凝膠表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能和緩慢的凝膠化性能，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以同時(shí)進(jìn)行擠出沉積和丙烯酸硫醇光聚合來(lái)制備快速凝膠。

點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)為生物打印和生物墨水提供了一些優(yōu)勢(shì)，包括（1）簡(jiǎn)單溫和的反應(yīng)條件，避免有毒交聯(lián)劑對(duì)細(xì)胞的損傷，在室溫或生理溫度下促進(jìn)凝膠化，并根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)整機(jī)械性能和降解速率。（2）所得到的水凝膠也具有均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。（3）印刷結(jié)構(gòu)的印刷精度和形狀保真度得以保持和增強(qiáng)。（4）包裹在用點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)修飾的生物墨水中的細(xì)胞表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力、擴(kuò)散和增殖。因此，點(diǎn)擊化學(xué)的上述優(yōu)勢(shì)為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了支持。

然而，也存在必須解決的挑戰(zhàn)。（1）單一生物墨水難以滿足生物打印的各種要求，如機(jī)械性能、交聯(lián)密度、溶脹率、分辨率等。這些因素對(duì)打印結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性、細(xì)胞包封、擴(kuò)散和增殖至關(guān)重要。因此，混合生物墨水對(duì)印刷水凝膠性能的影響需要進(jìn)一步研究。（2）應(yīng)特別注意在反應(yīng)后完全去除有毒的催化劑或引發(fā)劑，避免其對(duì)生物組織的傷害，并獲得更高質(zhì)量和高安全性的產(chǎn)品。（3）常見的天然水凝膠材料可能會(huì)對(duì)點(diǎn)擊化學(xué)帶來(lái)一些不相容性挑戰(zhàn)，因此可能需要引入可能不符合安全法規(guī)的替代反應(yīng)物。（4）使用多次點(diǎn)擊反應(yīng)制備結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生不可預(yù)測(cè)的副反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)增加，這可能會(huì)影響整個(gè)過(guò)程。（5）有必要在改進(jìn)點(diǎn)擊化學(xué)和了解安全限制方面開展更多工作，因?yàn)檫@種改進(jìn)將促進(jìn)3D生物打印的進(jìn)一步發(fā)展，并加速點(diǎn)擊化學(xué)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的臨床試驗(yàn)中的應(yīng)用。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J