結晶相變3D打印方法實現(xiàn)高精度及有序微孔的生物水凝膠支架制造

來源： 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方向有巨量應用場景，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，不利于細胞在其內(nèi)部生長。

福州大學生物科學與工程學院汪少蕓教授團隊和浙江大學賀永教授團隊提出了一種具有高保真度的結晶相變3D打印方法，相關工作以“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，在打印中臨時將其強度提升上去，無疑可以高效的解決這個問題。目前業(yè)界常用冷凍或升溫的方法來臨時提升水凝膠的強度，但該方法有諸多局限性。在本研究中，團隊提出了一種在打印過程中通過快速結晶產(chǎn)生相變，進而快速提升水凝膠強度的全新思路，并開發(fā)了一種用蜂蠟進行相變的墨水體系。其優(yōu)勢在于蜂蠟這種相變材料可以通過簡單加熱的方式洗脫，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)部構造多孔結構，在提升打印精度的同時，還適合于細胞培養(yǎng)和組織工程應用（圖1）。

圖1 相變墨水的工作原理及其在打印中的應用示意圖

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

圖2 DBHI和BHI傳熱過程表征及機理研究

烷烴和酯類是自然材料蜂蠟的主要組分。構建了含有蜂蠟、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現(xiàn)的，提出了兩種假設來解釋能量消耗機制：1)蜂蠟-水凝膠相互作用；2)相變墨水中烷烴在降溫過程中的晶態(tài)變化。為了證實這兩種假設，對BHI進行了研究。結果表明在3D打印過程中，蜂蠟中的烷烴會發(fā)生晶體轉變，消耗能量并加速水凝膠凝膠化（圖2）。與此同時，采用相同的策略發(fā)現(xiàn)這種構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、結冷膠、瓊脂（圖3）。

圖3 BHI的3D打印適應性和通用性

之后，利用BHI中相變材料的低熔點和兩相間的不相容性構建出高保真多孔水凝膠（HFPH）支架（圖4）。與對照組相比，多孔水凝膠支架更利于人皮膚成纖維細胞（HSF）的生長，其培養(yǎng)7 d后細胞活力高達89.08%。并且在培養(yǎng)過程中觀察到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

為了評估HFPH支架具備培養(yǎng)復雜真皮組織的能力，打印了19 mm高的耳形支架。盡管支架的斷裂強度隨著HSF細胞培養(yǎng)時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-平滑肌肌動蛋白的標記物）和膠原-I（膠原纖維的標記物）均大量表達。形態(tài)學和免疫組化分析表明，HFPH支架有利于細胞的增殖和遷移，并可隨著細胞的增殖和生長而降解并被新合成的肌纖維和膠原纖維所取代。HFPH支架可用于體外構建真皮組織。   

圖5 HFPH支架體外構建真皮組織

為了評估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)進行實驗。實驗結果未發(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）。為了驗證HFPH支架體內(nèi)修復組織缺損的能力，通過部分切除大鼠的脛骨前肌構建出大鼠肌肉缺損模型（圖6j-k）。結果顯示植入HFPH支架14 d后，大鼠腿部擺動幅度為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支架在修復組織缺損方面具有獨特的優(yōu)勢

圖6 HFPH支架的體內(nèi)生物相容性及肌肉缺損修復

2.全文總結
通過增加冷卻過程中的能量消耗，烷烴介導的晶體轉導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、保真度和機械強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動行為的恢復中提供了獨特的優(yōu)勢。這種獨特的設計為組織工程和再生醫(yī)學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：
（1）晶體轉導3D打印技術構建的3D結構保真度優(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構復雜的組織類似物方面的潛力。   

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

（3）相變墨水體系可以提高3D打印保真度，并以“一石二鳥”的方式同時形成孔隙。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。

文章來源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415799