純絲蛋白可作為體積增材制造生物墨水

來源： GK綠鑰生物科技

相較于傳統(tǒng)的逐層式打印方式，體積增材制造（Volumetric Additive Manufacturing，VAM）通過旋轉(zhuǎn)投影動態(tài)變化的光圖案實(shí)現(xiàn)三維物體的快速光聚合。然而，生物墨水的缺乏是限制VAM在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題。為解決這一瓶頸，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授團(tuán)隊開發(fā)了未經(jīng)改性的純絲蛋白（包括絲膠蛋白（silk sericin，SS）和絲素蛋白（silk fibroin，SF））（生物）墨水用于VAM（生物）打印。相關(guān)工作以“Volumetric Additive Manufacturing of Pristine Silk-Based (Bio)inks”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授。文章第一作者為廣州醫(yī)科大學(xué)謝茂彬教授，論文共同第一作者為哈佛醫(yī)學(xué)院連黎明（現(xiàn)為佐治亞理工大學(xué)在讀博士）。

作者通過VAM打印的SS結(jié)構(gòu)展示了可逆且可重復(fù)的收縮、膨脹或形狀記憶特性；而VAM打印的SF結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出可大范圍調(diào)控的機(jī)械性能特性，機(jī)械強(qiáng)度范圍可從幾百Pa調(diào)控至幾百M(fèi)Pa。這兩種純絲蛋白（生物）墨水均展現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。該研究工作擴(kuò)展了VAM的（生物）墨水庫，進(jìn)一步拓寬了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍。

1. SS和SF（生物）墨水在低濃度下展現(xiàn)優(yōu)異的VAM打印性能
研究人員從天然蠶絲纖維中分別提取SS和SF兩種成分，并利用SS和SF分子側(cè)鏈上的酪氨酸基團(tuán)能與RU/SPS光引發(fā)劑復(fù)合物在一定條件下發(fā)生光聚合反應(yīng)機(jī)理，分別制備了SS和SF兩種（生物）墨水（圖1）。在接下來的打印性測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)SS和SF均可在低濃度下（2.5%）實(shí)現(xiàn)快速VAM打印，并展現(xiàn)出打印多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)良打印性能（圖2）。

圖1. SS和SF（生物）墨水制備和光交聯(lián)機(jī)理

圖2. SS和SF（生物）墨水VAM打印性測試

2. VAM打印SS結(jié)構(gòu)的分辨率可達(dá)50 μm

隨后，在VAM打印分辨率測試中，研究人員利用VAM分別打印了多種具有細(xì)微結(jié)構(gòu)特征的實(shí)心和空心結(jié)構(gòu)（圖3）。發(fā)現(xiàn)VAM打印SS結(jié)構(gòu)的最小分辨率可以達(dá)到45.9 μm，而VAM打印SF結(jié)構(gòu)的最小分辨率是57 μm。VAM打印分辨率受多種因素影響，包括結(jié)構(gòu)、光強(qiáng)、時間和生物墨水種類及濃度等。其中，入射光的穿透深度是關(guān)鍵因素之一。高濃度Ru引發(fā)劑會顯著降低入射光的穿透深度，從而影響VAM打印分辨率。

圖3 VAM打印SS和SF結(jié)構(gòu)的分辨率測試

3. VAM打印的SS和SF結(jié)構(gòu)具有可調(diào)控的機(jī)械性能特性
通過后處理方法，VAM打印的SS結(jié)構(gòu)展示了可逆且可重復(fù)的收縮、膨脹或形狀記憶特性；而SF結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出可大范圍調(diào)控的機(jī)械性能特性，壓縮模量范圍可從幾百Pa調(diào)控至幾百M(fèi)Pa。這主要是因?yàn)镾F內(nèi)部雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（酪氨酸雙鍵和beta折疊）的形成（圖4）。

圖4 VAM打印SS和SF結(jié)構(gòu)的理化性能表征

4. SS和SF生物墨水都具展現(xiàn)了良好的細(xì)胞相容性
在一定的細(xì)胞密度內(nèi)，活細(xì)胞的加入并不會顯著影響SS和SF的打印性。此外，VAM生物打印的SS和SF結(jié)構(gòu)中，包裹的細(xì)胞在14天的體外培養(yǎng)中都保持了較高的存活率和細(xì)胞代謝活力。在VAM生物打印的SS結(jié)構(gòu)中，C2C12細(xì)胞展現(xiàn)出了比在SF結(jié)構(gòu)中更明顯的展開行為（圖5）。

圖5 VAM生物打印SS和SF細(xì)胞兼容性測試

5. VAM生物打印SF骨螺釘概念應(yīng)用
最后，研究人員展示了VAM生物打印SF骨螺釘?shù)母拍顟?yīng)用前景（圖6）。首先利用VAM生物打印了SF骨螺釘，再將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）孵育在SF骨螺釘表面。在后續(xù)的體外培養(yǎng)中，MSCs能夠較好地粘附在SF骨螺釘表面并快速增殖，并且在14天的體外培養(yǎng)期間持續(xù)表達(dá)成骨相關(guān)基因。此外，通過后處理方法使SF骨螺釘形成雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，大幅提高其機(jī)械強(qiáng)度，并在體外豬骨植入實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其作為可植入醫(yī)療器件的可行性。

圖6 VAM生物打印SF骨螺釘應(yīng)用展示

總結(jié)：研究人員成功開發(fā)了天然、未改性的SS和SF（生物）墨水用于VAM（生物）3D打印。這兩種（生物）墨水在低濃度（2.5%）下展現(xiàn)出優(yōu)異的打印性能，能夠打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其中，SS打印物的收縮和再膨脹特性是可逆的，表明其在形狀記憶材料、4D印刷、軟機(jī)器人和藥物輸送等領(lǐng)域具有潛力。通過進(jìn)一步的后處理引發(fā)雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，VAM打印的SF無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的壓縮模量可從幾百Pa調(diào)控至約250 MPa。此外，SS和SF均表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。這項(xiàng)工作豐富了VAM的（生物）墨水庫。