一种热响应和光响应生物墨水:降冰片烯官能化甲基纤维素

3D打印科研前沿
2021
12/06
16:04
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供稿人:张源、高琳 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

3D生物打印已成为组织工程和再生医学的重要工具。对于挤压式的3D生物打印,结构的性能很大程度上取决于生物墨水的性能。甲基纤维素(MC)因为具有生物相容性和热响应性,已被用作3D生物打印的生物墨水。然而,MC在室温下溶解性高、结构稳定性低、细胞亲和力较低、不能被细胞分泌的蛋白酶降解,不适合应用于复杂结构的3D生物打印。

近日,印第安纳大学的研究团队通过一步反应合成了降冰片烯官能化甲基纤维素(MCNB)。MCNB具有良好的流变性能、热响应性、光响应性、生物相容性和打印性能,并且利用MCNB打印出来的3D结构具有更好的稳定性。MC和MCNB的下临界溶解温度(LCST)分别为33℃和38℃。虽然MCNB的LCST更高,但热诱导凝胶化所需的温度仍然接近体温,这有利于MCNB的生物应用。此外,MCNB在30s内完成了光介导的凝胶-溶胶转变,说明了MCNB具有良好的光响应特性。在使用MCNB打印的结构中,利用活/死细胞染色方法确定细胞的生存能力,如图1所示,这展现了MCNB作为生物墨水的生物相容性和生物活性。MCNB在不同温度下打印性能不同,在37℃时MCNB成一条连续线从喷嘴挤出,而在室温25℃的条件下MCNB以液滴形式从喷嘴滴落。MC和MCNB都具有良好的打印性能,但是MCNB具有更高的分辨率。在室温条件下使用MC打印的结构由于凝胶-溶胶转变而坍塌,但是使用MCNB打印的结构无论温度如何,结构都稳定。图2是MCNB在3wt%纳米硅酸盐支撑浴中打印的复杂形状结构,例如耳、鼻、血管和肝脏结构。

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图1 MCNB中活/死细胞染色共聚焦图像
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图2 使用MCNB打印的结构
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图3 GelNB/MCNB中细胞染色图像
此外,研究团队还将生物活性GelNB与MCNB结合,制成复合生物墨水。研究发现,复合生物墨水即使是在高于上临界溶解温度(UCST)和低于下临界溶解温度(LCST),也会发生凝胶现象。复合生物墨水具有更强的打印性能,在低于LCST的温度下,也能产生清晰的打印晶格。同时,复合生物墨水改善了印刷基质的生物活性,如图3所示,在培养10天后细胞依然表现出优异的存活率。 这项研究充分表现了MCNB作为生物墨水的巨大潜力。

参考文献:
Kim Min Hee,Lin Chien-Chi. Norbornene-functionalized methylcellulose as a thermo- and photo-responsive bioink[J]. Biofabrication,2021,13(4):


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