哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院:3D打印多孔GelMA水凝膠

來源： EFL生物3D打印與生物制造

因與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的相似性，可注射水凝膠在組織再生中展現(xiàn)了巨大的潛力。傳統(tǒng)的可注射水凝膠用作組織缺損填充物時(shí)，所形成的塊狀凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)較為致密，通常僅含有納米級別孔，這限制了所包載細(xì)胞的生長空間及營養(yǎng)傳輸。此外，過于致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不利于機(jī)體組織的融合。因此，構(gòu)建從微觀到宏觀的多孔水凝膠對組織工程應(yīng)用具有重大意義。

近期，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授課題組于Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表了題為“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Propertie”的研究成果，提出了將活細(xì)胞封裝在以甲基丙烯酰明膠(GelMA)為基礎(chǔ)的多孔生物墨水中，通過擠出生物3D打印技術(shù)制造宏-微-納米多孔水凝膠支架，然后將圖案化的水凝膠支架注射到組織缺損部位進(jìn)行修復(fù)。結(jié)果表明，這種獨(dú)特的3D打印的多孔凝膠結(jié)構(gòu)在微創(chuàng)組織再生和細(xì)胞治療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

首先，介紹了載細(xì)胞的具有微-納米多孔的水凝膠支架的制造過程。室溫下以最佳體積比混合含有細(xì)胞的GelMA預(yù)凝膠溶液與PEO溶液制備雙水相生物墨水，利用擠出生物3D打印技術(shù)打印所需載細(xì)胞水凝膠結(jié)構(gòu)，光交聯(lián)后使用商業(yè)的經(jīng)皮針在體外或體內(nèi)注射。微米孔：GelMA水凝膠網(wǎng)絡(luò)所包含的孔；微米孔：將支架浸泡在PBS中去除GelMA相中的PEO以產(chǎn)生相互連接的微孔宏觀孔：直接3D擠出生物打印肉眼可見的孔。

圖1 3D生物打印水兩相生物墨水構(gòu)建多級孔水凝膠結(jié)構(gòu)原理圖

其次，對水凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，展示了不同配方水兩相生物墨水的打印及微觀結(jié)構(gòu)，并指出通過調(diào)整PEO體積分?jǐn)?shù)和混合時(shí)間調(diào)節(jié)孔隙率；通過微-納米多孔水凝膠結(jié)構(gòu)的可逆性測試證明微孔水凝膠結(jié)構(gòu)具有允許微創(chuàng)注射的潛力（圖2）。

圖2 3D生物多級孔水凝膠結(jié)構(gòu)的表征

接著，驗(yàn)證了多級孔水凝膠結(jié)構(gòu)的壓縮性和可注射性。標(biāo)準(zhǔn)水凝膠結(jié)構(gòu)在壓縮及注射后不能恢復(fù)且不能保持結(jié)構(gòu)完整性（動(dòng)畫1，2），而微-納米孔水凝膠結(jié)構(gòu)在應(yīng)變水平上不受機(jī)械壓縮的影響（圖3）。采用14G針將不同模式的微孔水凝膠結(jié)構(gòu)體注射到豬組織缺陷中，證明了3D打印微-納米孔水凝膠在體外的可注射性和形狀記憶特性（圖4，動(dòng)畫2，3，4）。

圖3 3D生物打印微-納米多孔水凝膠結(jié)構(gòu)的形狀記憶性能評價(jià)

圖4 3D生物打印微-納米多孔水凝膠結(jié)構(gòu)的可注射性測試

最后，對水凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了體內(nèi)外生物學(xué)評估，一方面證明微-納米多孔水凝膠經(jīng)過機(jī)械壓縮或注射過程后，對hMSCs的生存、增殖和擴(kuò)散能力以及hMSC成脂、成骨能力并沒有影響（圖5）；另一方面，3D打印的水凝膠結(jié)構(gòu)可以有效地填補(bǔ)組織的缺損，標(biāo)準(zhǔn)水凝膠會(huì)限制組織浸潤，而多孔水凝膠中相互連通微孔結(jié)構(gòu)為組織的生長提供了足夠的空間，易與組織融合，促進(jìn)修復(fù)（圖6）。

圖5 壓縮和注射后水凝膠結(jié)構(gòu)的hMSC存活和增殖能力的評價(jià)

圖6 hMSC在3D生物打印多孔水凝膠結(jié)構(gòu)的分化能力

3D生物打印提供了一個(gè)通用的平臺(tái)提供定制化水凝膠結(jié)構(gòu)，有效匹配缺陷部位。相互連接的微孔不僅使得所構(gòu)建的水凝膠在壓縮后和注入后均保持了原有的結(jié)構(gòu)和功能特征，而且還允許hMSC增殖、遷移和分化。此外，具有形狀記憶特性的可注射水凝膠具有可生物降解性，有利于組織融合。因此，這類可注射3D生物打印載細(xì)胞多孔水凝膠，是一種有前途的微創(chuàng)注射和傷口修復(fù)的載體。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740