利用粘液基生物墨水3D打印肺組織治療慢性肺病

導(dǎo)讀：每年全球數(shù)百萬人因肺部疾病而喪生，這些疾病不僅治療方案有限，而且缺乏足夠的有效動物模型和實(shí)驗(yàn)藥物。為了彌補(bǔ)這一研究領(lǐng)域的缺失，研究人員已成功創(chuàng)建一種基于粘液的生物墨水，可用于3D打印復(fù)雜的肺部組織結(jié)構(gòu)。

△一種基于粘液的生物墨水用于3D打印肺組織的示意圖

2024年8月1日，南極熊獲悉，根據(jù)發(fā)表在《ACS Applied Bio Materials》雜志上的研究成果《利用可見光交聯(lián)粘蛋白-透明質(zhì)酸復(fù)合生物墨水進(jìn)行生物3D打印實(shí)現(xiàn)肺組織工程》，研究人員指出，這一進(jìn)展有望為慢性肺部疾病的研究和治療帶來新的可能性。

△該研究成果已發(fā)表在ACS Applied Bio Materials（傳送門）

3D打印肺部組織技術(shù)研發(fā)背景

雖然一些肺病患者接受了移植手術(shù)，但捐贈器官仍然供不應(yīng)求。作為替代方法，可以使用藥物和其它治療手段來控制癥狀，但對于慢性阻塞性肺病和囊性纖維化等疾病，目前尚無治愈方法。研究人員正在不斷尋找更有效的藥物，通常通過嚙齒動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。然而，這些動物模型可能只能部分反映人類肺部疾病的復(fù)雜性，并且無法準(zhǔn)確預(yù)測新藥物的安全性和療效。

同時，生物工程師們正探索在實(shí)驗(yàn)室中培育肺組織，作為更精確的人體肺部模型或植入材料的潛在選擇。一種技術(shù)涉及模仿人體組織的3D打印結(jié)構(gòu)，但設(shè)計(jì)出適合的生物墨水來支持細(xì)胞生長仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，研究人員Ashok Raichur及其同事開始致力于克服這一障礙。

△研究人員采用墨水打印出測試圖案后，將其暴露在藍(lán)光下以連接MuMA分子，從而形成一種穩(wěn)定的多孔凝膠，可以吸收水分并幫助細(xì)胞存活

開發(fā)一種基于粘液的生物墨水

研究小組從粘蛋白入手，這種粘液成分尚未被廣泛用于生物打印。這種抗菌聚合物的分子結(jié)構(gòu)與表皮生長因子相似，后者是一種促進(jìn)細(xì)胞附著和生長的蛋白質(zhì)。Raichur及其同事將粘蛋白與甲基丙烯酸酐反應(yīng)生成甲基丙烯酸化粘蛋白（MuMA），然后將它與肺細(xì)胞混合。加入透明質(zhì)酸（結(jié)締組織和其它組織中發(fā)現(xiàn)的一種天然聚合物）可增加生物墨水的粘度，促進(jìn)細(xì)胞生長和粘附到MuMA上。將墨水印成圓形和方形網(wǎng)格等測試圖案后，將其暴露在藍(lán)光下以交聯(lián)MuMA分子。交聯(lián)鍵以多孔凝膠的形式穩(wěn)定了印刷結(jié)構(gòu)，這種凝膠很容易吸收水分以支持細(xì)胞存活。

△生物墨水打印出的支架在磷酸鹽緩沖鹽水中保持了良好的穩(wěn)定性，四周后仍保留了70%的質(zhì)量（紅色代表死細(xì)胞，綠色代表活細(xì)胞）

研究人員發(fā)現(xiàn)，凝膠中相互連接的孔隙有利于營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散，促進(jìn)細(xì)胞生長和肺組織的形成。這種打印結(jié)構(gòu)無毒，在生理?xiàng)l件下可緩慢生物降解，因此可能適合用作植入物，其中打印的支架將逐漸被新生長的肺組織取代。這種生物墨水還可用于制作肺的3D模型，以研究肺部疾病的過程和評估潛在的治療方法。