德國維爾茨堡大學(xué)：凝膠 AGE 樹脂助力體積生物打印軟組織工程發(fā)展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物制造領(lǐng)域，增材制造（AM）技術(shù)發(fā)展迅速，為生物制造帶來了新機遇，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)AM技術(shù)存在制造速度慢、分層偽影等問題，限制了復(fù)雜構(gòu)建物的分辨率。光固化成型（VP）技術(shù)雖有一定優(yōu)勢，但目前用于體積生物打�。╒BP）的樹脂仍存在局限，開發(fā)可用于VBP的新型樹脂成為該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。尤其是制造適用于軟組織工程的柔軟水凝膠，對光樹脂的粘度、光學(xué)透明度等要求苛刻，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足 。  

來自德國維爾茨堡大學(xué)的Tomasz Jungst團隊開發(fā)了一種基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂，旨在滿足VBP的加工要求，并應(yīng)用于軟組織工程。通過系統(tǒng)地改變前體濃度，成功制備出具有不同機械性能的水凝膠，其楊氏模量在0.2 - 1.0 kPa之間，適合脂肪組織培養(yǎng)。研究成果表明，這種新型樹脂能實現(xiàn)高吞吐量的VBP，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了新的解決方案，推動了生物制造領(lǐng)域的發(fā)展 。相關(guān)工作以“Flexible Allyl‐Modified Gelatin Photoclick Resin Tailored for Volumetric Bioprinting of Matrices for Soft Tissue Engineering”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

研究內(nèi)容
1. gelAGE 光點擊樹脂用于體積生物打印的原理及軟組織模擬研究
通過設(shè)計合成實驗和理論分析的方法，研究基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂在體積生物打�。╒BP）中的應(yīng)用，以及該樹脂構(gòu)建的基質(zhì)對軟組織模擬的適用性。結(jié)果表明，利用硫醇 - 烯交聯(lián)反應(yīng)與四臂巰基化聚乙二醇（PEG4SH）結(jié)合，可制備出柔軟（0.2 - 1.0 kPa）且適用于 VBP 的樹脂，其模量與多種軟組織相似，為軟組織工程提供了新選擇。

圖1. 柔性烯丙基改性明膠光點擊樹脂的體積生物打印示意圖以及gelAGE配方的楊氏模量與軟組織的硬度匹配度

2. gelAGE基水凝膠的物理化學(xué)特性分析
采用溶脹分析、質(zhì)量損失測定和力學(xué)性能測試等實驗手段，研究不同濃度（2.75% 和 6%）gelAGE 基水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示，低濃度凝膠溶脹率更高、質(zhì)量損失趨勢不同，且兩者交聯(lián)密度有差異；力學(xué)測試表明，低濃度凝膠楊氏模量約 0.2 - 0.4 kPa，高濃度約 0.75 - 1.0 kPa，均符合脂肪組織力學(xué)范圍，適合脂肪細胞培養(yǎng)。

圖2. gelAGE基水凝膠物理化學(xué)表征

3. gelAGE基樹脂的流變特性研究
運用振蕩測量、溫度掃描、頻率掃描和旋轉(zhuǎn)測試等流變學(xué)方法，研究 gelAGE 基樹脂的流變特性和光固化過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該樹脂室溫下為液態(tài)便于操作，降溫形成物理凝膠，溫度掃描有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點，高濃度凝膠化更快；頻率掃描顯示模量穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)測試中高濃度樹脂粘度增長更明顯，光流變測試表明光照可快速引發(fā)交聯(lián)，滿足 VBP 對樹脂粘度和固化速度的要求。

圖3. gelAGE基樹脂的流變性質(zhì)檢測

4. gelAGE基樹脂體積打印的分辨率和結(jié)構(gòu)成型能力探究
通過打印不同形狀和尺寸的3D結(jié)構(gòu)，如S形細絲、空心籠、金字塔和分支結(jié)構(gòu)等，并對其進行觀察和分析，研究gelAGE基樹脂的體積打印分辨率和成型能力。結(jié)果表明，該樹脂能實現(xiàn)約100μm的特征分辨率，可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如自支撐結(jié)構(gòu)、帶尖銳邊緣的結(jié)構(gòu)和可灌注結(jié)構(gòu)，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了可能。

圖4 基于gelAGE的不同形狀3D類似物的體積打印和打印分辨率評估

5. 脂肪來源間充質(zhì)干細胞在 gelAGE 基樹脂中的打印及分化研究
將脂肪來源的間充質(zhì)干細胞（ASC）負載于gelAGE基樹脂中進行體積生物打印，隨后進行成脂分化培養(yǎng)，通過活/死染色、油紅O染色和基因表達分析等方法，研究細胞在樹脂中的存活、分化情況。結(jié)果顯示，打印后細胞存活率高，培養(yǎng)14天后ASC成功分化為脂肪細胞，兩種不同濃度的gelAGE基樹脂均為成脂分化提供了有利環(huán)境。

圖5 脂肪源性基質(zhì)細胞（ASC）的體積生物打印和隨后的脂肪形成分化

圖6. 脂肪細胞的體積生物打印

研究結(jié)論
本研究開發(fā)出一種用于體積生物打�。╒BP）的新型 gelAGE 基光點擊樹脂，該樹脂可構(gòu)建極軟（0.2 - 1.0 kPa）的水凝膠基質(zhì)，適用于脂肪干細胞（ASC）和分化脂肪細胞的 3D 培養(yǎng)。通過正交硫醇 - 烯點擊化學(xué)交聯(lián)策略，能在數(shù)十秒內(nèi)高通量制備 3D 細胞負載構(gòu)建體和復(fù)雜無細胞結(jié)構(gòu)。對兩種不同濃度的 gelAGE 基配方進行深入研究，明確了其物理化學(xué)和機械性能差異。該樹脂為 ASC 的成脂分化提供了有利微環(huán)境，且成功實現(xiàn)了高活力和功能良好的分化脂肪細胞的 VBP 打印。這些成果為脂肪生成的進一步研究和構(gòu)建更復(fù)雜的脂肪組織模型奠定了基礎(chǔ)，有望拓展到其他軟組織工程領(lǐng)域。

挑戰(zhàn)與展望
但目前可用于 VBP 的樹脂種類有限，需開發(fā)更多功能化、高性能的樹脂以滿足不同組織工程需求。在打印過程中，如何進一步優(yōu)化工藝參數(shù)以提高打印精度和穩(wěn)定性，以及更好地控制細胞與材料的相互作用，仍是待解決的問題。未來，該技術(shù)有望與其他先進技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建更復(fù)雜、仿生的組織模型，推動軟組織工程的發(fā)展。例如，可探索其在構(gòu)建具有血管化結(jié)構(gòu)的脂肪組織方面的應(yīng)用，以實現(xiàn)更接近真實組織的功能模擬，為臨床治療和藥物研發(fā)提供更有效的工具。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300977