結(jié)晶相變3D打印方法實(shí)現(xiàn)高精度及有序微孔的生物水凝膠支架制造

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

3D打印生物水凝膠支架在再生修復(fù)方向有巨量應(yīng)用場(chǎng)景，然而，由于生物水凝膠的超軟特性，使得高保真度3D打印極具挑戰(zhàn)；此外其水凝膠內(nèi)部空隙較小，不利于細(xì)胞在其內(nèi)部生長(zhǎng)。

福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院汪少蕓教授團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)賀永教授團(tuán)隊(duì)提出了一種具有高保真度的結(jié)晶相變3D打印方法，相關(guān)工作以“Crystal transduction 3D printing of bio-hydrogels with high fidelity and order micro pores”近期發(fā)表在著名期刊《Advanced Functional Materials》。

超軟的生物水凝膠既然難以打印，在打印中臨時(shí)將其強(qiáng)度提升上去，無(wú)疑可以高效的解決這個(gè)問(wèn)題。目前業(yè)界常用冷凍或升溫的方法來(lái)臨時(shí)提升水凝膠的強(qiáng)度，但該方法有諸多局限性。在本研究中，團(tuán)隊(duì)提出了一種在打印過(guò)程中通過(guò)快速結(jié)晶產(chǎn)生相變，進(jìn)而快速提升水凝膠強(qiáng)度的全新思路，并開(kāi)發(fā)了一種用蜂蠟進(jìn)行相變的墨水體系。其優(yōu)勢(shì)在于蜂蠟這種相變材料可以通過(guò)簡(jiǎn)單加熱的方式洗脫，更有意思的是，由于相變的作用，可以很方便的在水凝膠內(nèi)部構(gòu)造多孔結(jié)構(gòu)，在提升打印精度的同時(shí)，還適合于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程應(yīng)用（圖1）。

圖1 相變墨水的工作原理及其在打印中的應(yīng)用示意圖

1.主要內(nèi)容
基于具有不同熔點(diǎn)的相變材料有可能在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)平滑擠出和保真度之間的平衡。評(píng)估了由二十二烷烴和二十二烷烴棕櫚酸酯的復(fù)合物與明膠和黃原膠構(gòu)建的相變墨水（DBHI）的相變行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在模擬打印過(guò)程中，二十二烷烴會(huì)消耗能量，加速水凝膠墨水的凝膠過(guò)程（圖2）。   

圖2 DBHI和BHI傳熱過(guò)程表征及機(jī)理研究

烷烴和酯類(lèi)是自然材料蜂蠟的主要組分。構(gòu)建了含有蜂蠟、明膠和黃原膠的相變墨水（BHI），BHI具有優(yōu)異的流變性能和打印適應(yīng)性（圖3）。這種打印性能在含有單一固態(tài)酯的生物墨水中是不能實(shí)現(xiàn)的，提出了兩種假設(shè)來(lái)解釋能量消耗機(jī)制：1)蜂蠟-水凝膠相互作用；2)相變墨水中烷烴在降溫過(guò)程中的晶態(tài)變化。為了證實(shí)這兩種假設(shè)，對(duì)BHI進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在3D打印過(guò)程中，蜂蠟中的烷烴會(huì)發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變，消耗能量并加速水凝膠凝膠化（圖2）。與此同時(shí)，采用相同的策略發(fā)現(xiàn)這種構(gòu)建相變墨水的方法具有通用性，能適用于多種冷固水凝膠的3D打印，如卡拉膠、結(jié)冷膠、瓊脂（圖3）。

圖3 BHI的3D打印適應(yīng)性和通用性

之后，利用BHI中相變材料的低熔點(diǎn)和兩相間的不相容性構(gòu)建出高保真多孔水凝膠（HFPH）支架（圖4）。與對(duì)照組相比，多孔水凝膠支架更利于人皮膚成纖維細(xì)胞（HSF）的生長(zhǎng)，其培養(yǎng)7 d后細(xì)胞活力高達(dá)89.08%。并且在培養(yǎng)過(guò)程中觀察到HSF逐漸遷移到多孔水凝膠支架內(nèi)部，表現(xiàn)出良好的體外生物相容性。

圖4  HFPH支架的形成、特性及生物相容性

為了評(píng)估HFPH支架具備培養(yǎng)復(fù)雜真皮組織的能力，打印了19 mm高的耳形支架。盡管支架的斷裂強(qiáng)度隨著HSF細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間的增加而略微降低，但支架在培養(yǎng)21 d后保持了耳形和彈性的精度（圖5）。此外，Ki-67、α-SMA（α-平滑肌肌動(dòng)蛋白的標(biāo)記物）和膠原-I（膠原纖維的標(biāo)記物）均大量表達(dá)。形態(tài)學(xué)和免疫組化分析表明，HFPH支架有利于細(xì)胞的增殖和遷移，并可隨著細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)而降解并被新合成的肌纖維和膠原纖維所取代。HFPH支架可用于體外構(gòu)建真皮組織。   

圖5 HFPH支架體外構(gòu)建真皮組織

為了評(píng)估HFPH支架的體內(nèi)生物相容性，將HFPH支架分別植入大鼠背部皮下袋內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何明顯的全身系統(tǒng)性損傷，表現(xiàn)出良好的體內(nèi)生物相容性（圖6）。為了驗(yàn)證HFPH支架體內(nèi)修復(fù)組織缺損的能力，通過(guò)部分切除大鼠的脛骨前肌構(gòu)建出大鼠肌肉缺損模型（圖6j-k）。結(jié)果顯示植入HFPH支架14 d后，大鼠腿部擺動(dòng)幅度為50°，與未受傷的正常大鼠（60°）相似，高于植入傳統(tǒng)水凝膠打印支架的大鼠（26°）。表明HFPH支架在修復(fù)組織缺損方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)

圖6 HFPH支架的體內(nèi)生物相容性及肌肉缺損修復(fù)

2.全文總結(jié)
通過(guò)增加冷卻過(guò)程中的能量消耗，烷烴介導(dǎo)的晶體轉(zhuǎn)導(dǎo)加速了明膠基水凝膠的凝膠化。加入蜂蠟（烷烴和酯的天然混合物）提高明膠-黃原膠墨水的可打印性。在加熱之后，蜂蠟從交聯(lián)的水凝膠中被洗脫掉，留下具有良好的生物相容性、保真度和機(jī)械強(qiáng)度的高度互連的多孔支架。這種支架在具有肌肉缺陷的大鼠運(yùn)動(dòng)行為的恢復(fù)中提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)為組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的大組織或器官的高保真度生物制造提供了多種可能性。


本文要點(diǎn)：
（1）晶體轉(zhuǎn)導(dǎo)3D打印技術(shù)構(gòu)建的3D結(jié)構(gòu)保真度優(yōu)于現(xiàn)有的3D打印方法。相變墨水提供的高保真性和便利性有望挖掘生物水凝膠在打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織類(lèi)似物方面的潛力。   

（2）相變墨水體系適用于多種生物水凝膠的3D打印，其將擴(kuò)大適合高保真度3D打印的天然生物墨水種類(lèi)。

（3）相變墨水體系可以提高3D打印保真度，并以“一石二鳥(niǎo)”的方式同時(shí)形成孔隙。與形狀不匹配的傳統(tǒng)打印生物水凝膠相比，晶體相變3D打印方法構(gòu)建的多孔支架肌肉模擬物能顯著改善肌肉缺損大鼠的組織功能恢復(fù)。

文章來(lái)源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415799