Science Advances:互补网络生物墨水用于扩展和优化生物3D打印能力

3D打印科研前沿
2020
11/20
11:32
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来源: EngineeringForLife

现阶段,能够用于生物3D打印的生物墨水数量非常有限,这是因为满足生物打印需求的墨水既要满足打印过程中的理化需求,又要为其中所包裹的细胞提供理想的环境。生物墨水的设计是生物3D打印中的关键因素,但现有生物墨水配方中很少有同时满足可打印性及生物相容性的配方,通常情况下生物墨水的可打印性和生物相容性是相互排斥的,为了兼容生物相容性及可打印性,会在两者的性能要求上都做出让步。

近期,来自伦敦帝国理工学院生物医学工程研究所的Molly M. Stevens团队,在Science Advances发表的“Expandingand optimizing 3D bioprinting capabilities using complementary network bioinks”一文中,研究人员通过使用互补网络生物墨水实现了生物3D打印过程中成型性和生物相容性之间更好地兼容。该研究中所用的生物墨水同时具有温敏性及光敏性,它们通过互补的凝胶机制来调节打印过程的不同阶段。在该研究中,研究人员通过筛选合适浓度的水凝胶刚度以实现星形胶质细胞的3D打印及培养,并进行了互补网络生物墨水应用于组织工程的探索,且最终满足细胞培养和组织工程的生物学需求。

首先,研究人员通过使用甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)作为代表性的生物墨水进行了打印及流变学测试(图1),对该生物墨水在目前打印方法中所存在的问题及互补型网络生物墨水的优势进行了说明。

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图1.互补网络生物墨水3D打印工艺

其次,研究人员尝试将互补网络生物墨水的原理推广应用于其他聚合物上,包括基质衍生蛋白、基质衍生糖胺聚糖及其他天然多糖(表1)。为此,研究人员使用了12种可光交联生物墨水进行打印验证(图2)(HAMA+、HANB+、GelMA+、GelAGE+、CSMA+、DexMA+、AlgMA+、CHIMA+、HepMA+、PEGDA+、PEGA+和PEGNB+),并优化了在不同浓度下的互补网络生物墨水的3D打印参数;最终证实了明胶成分主要决定了生物墨水的可打印性。
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表1 该研究所适用的生物墨水
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图2 互补网络生物墨水库的3D打印

开发互补网络生物墨水的主要目的是为了实现软水凝胶结构的3D打印。所以研究人员对软水凝胶中明胶的添加对机械性能的影响进行了测试,研究人员对比了三种软水凝胶互补网络生物墨水(HANB+、GelMA+和GelAGE+)和其无明胶成分生物墨水打印结构的机械性能。最终结果表明明胶的加入对打印结构的长期机械性能影响很小。

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图3 3D打印软水凝胶结构

最后,研究人员经进行了不同浓度(2.5 -10 wt%)的互补网络生物墨水进行星形胶质细胞的3D打印和培养(图4),通过最终细胞增殖结果来看,(2.5 wt%)的GelMA+生物墨水能够维持良好的细胞活力。研究人员后续对互补网络生物墨水在组织工程上的应用也进行了探索,结果表明其具有较好的效果(图5)。
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图4 星形胶质细胞的生物打印和培养

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图5 互补网络生物墨水用于组织工程的探索

综上所述,该研究引入了互补网络生物墨水的概念,其作为一种通用的生物3D打印方法为3D打印活组织结构提供了更为有效的策略,从而可以更容易地调整生物墨水以满足细胞打印的生物学要求。一方面,该研究通过生物打印负载星形胶质细胞的软水凝胶,表明了互补网络生物墨水适用于软组织来源的活结构的生物制造。另一方面,该研究提出了互补网络生物墨水库,极大地扩展了该方法所适用的生物墨水的范围。总而言之,虽然互补网络生物墨水不适用于那些不能与明胶混容的生物材料及温敏反性生物材料,但除去这些材料外,该研究中的互补网络生物墨水在不同的生物材料体系和3D打印方案中仍具有广泛的适用性,并为生物制造和组织工程提供新的机会。


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