中國科學(xué)院阮長順等 | 推動(dòng)明膠基生物墨水應(yīng)用于擠出式生物打印的最新進(jìn)展

來源： 生物設(shè)計(jì)與制造BDM

本綜述論文主要聚焦于明膠基生物墨水在克服可打印性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和細(xì)胞活性方面局限性的最新策略。合適的生物墨水在擠出式生物打印構(gòu)建復(fù)雜組織中扮演著極其重要的角色。明膠是膠原蛋白的水解產(chǎn)物，不僅能模擬細(xì)胞外基質(zhì)、支持細(xì)胞的功能，而且在一定條件下可以擠出成型，是公認(rèn)地在擠出式生物打印中最具有前景的生物墨水之一。但明膠本身可打印性不高、形狀保真度和穩(wěn)定性較差，同時(shí)力學(xué)強(qiáng)度不足。因此，開發(fā)兼具良好打印性和生物活性的明膠基生物墨水以構(gòu)建復(fù)雜的組織，并應(yīng)用于特定的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域仍處于起步階段。本文全面系統(tǒng)地總結(jié)了明膠基生物墨水在擠出式生物打印中提高可打印性、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織構(gòu)建的物理和化學(xué)方法和策略。首先，總體概述了用于擠出式生物打印明膠基生物墨水需要滿足的性能和要求。其次，重點(diǎn)論述了明膠在克服可打印性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和細(xì)胞活性方面局限性的最新策略。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討采用明膠基生物墨水構(gòu)建具有更好理化性能和生物功能的復(fù)雜組織未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和前景，為開發(fā)理想的明膠基生物墨水提供參考和借鑒。


圖1 明膠基生物墨水近十年研究現(xiàn)狀的文獻(xiàn)分析。(a) 2012-2022年明膠基生物墨水發(fā)表的論文情況；(b) 不同生物墨水研究占的比例；(c) 不同生物打印方式所占的比例

圖2 明膠生物墨水的優(yōu)勢和不足

圖3 利用明膠生物墨水和明膠/高分子生物墨水?dāng)D出打印的物理策略。(a) 明膠微球和明膠溶液擠出打印；(b) 明膠和纖維蛋白原復(fù)合打印；(c) 明膠和氧化的海藻酸鈉復(fù)合打印

圖4 除GelMA外其他化學(xué)改性用于擠出生物打印的明膠基生物墨水。（a）Gel-Ph、HRP和H2O2生物墨水體系；（b）在可見光下由Ru/SPS 催化交聯(lián)的Gel-Ph和HA-Ph復(fù)合生物墨水；（c）可以降解的GelAGE生物墨水；（d）具有溫度可編程的Gel-Upy-Tyr生物墨水

圖5 明膠基生物墨水構(gòu)建負(fù)載細(xì)胞的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。(a) hMSCs和HUVECs精準(zhǔn)分布的骨組織結(jié)構(gòu)；(b) 同軸打印具有血管管道結(jié)構(gòu)不同形狀的大尺寸組織；(c) 基于Gel-Upy-Tyr的具有可逆拉伸扭轉(zhuǎn)能力的耳廓和骨結(jié)構(gòu)