Biomaterials:结合光固化投影式3D打印和正交光共轭生物制造方法

3D打印科研前沿
2021
01/12
09:31
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来源: EngineeringForLife

生物3D打印的一个极大的优势就是能使细胞、生物材料和生物活性剂受控地放置在的打印结构中,从而用于生物组织和器官的制造。然而,目前细胞兼容性和生物材料可打印性等诸多因素限制了生物3D打印的应用。

近期,来自加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的陈绍琛教授课题组在“Biomaterials”上发表的“A sequential 3D bioprinting and orthogonal bioconjugation approach for precision tissue engineering”一文中,研究人员开发了一个集成投影式光固化3D打印和正交光共轭的制造平台,其可用于制造精密的组织工程结构。研究人员还通过使用光活性硫醇-烯明胶生物墨水进行光固化投影打印,实现含有生物因子且质地较软的水凝胶的快速成型,从而使得对生物物理性质的局部调节以及对固定化官能团的空间分布和浓度的精确控制成为可能。

首先,研究人员合成了一种由降冰片烯官能化明胶(GelNB)和巯基官能化明胶(GelSH)两种前驱体组成的纯明胶硫醇-烯预聚体(图1),并使用该水凝胶进行了视网膜毛细血管的设计打印,其分辨率小可至10-30μm。

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图1 利用基于光固化投影生物3D打印和正交生物偶联平台进行生物功能化GelNB-GelSH水凝胶的成型制造

鉴于GelNB-GelSH材料的打印适宜性,研究人员随后研究了不同摩尔比对打印水凝胶物理及生物性能的影响(图2)。结果表明所有的GelNB-GelSH水凝胶在达到溶胀平衡后的7天内都保持稳定,没有明显的尺寸变化。随后研究人员为了评估GelNB-GelSH水凝胶作为诱导多能干细胞(IPSC)支持基质的潜力,将IPSC来源的心肌细胞(IPSC-CMS)包裹在水凝胶中进行打印,从活/死染色图像中可观察出,在7天内GelNB-GelSH水凝胶中几乎没检测到死亡的细胞,这证实了生物3D打印GelNB-GelSH水凝胶用于制造心脏和血管组织工程应用的功能性细胞负载组织结构的潜力。

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图2 GelNB-GelSH水凝胶的物理特性和包裹细胞的生物相容性

随后,研究人员就光修饰蛋白在GelNB-GelSH水凝胶中的空间可控性进行了研究(图3)。实验结果表明,该制造平台和GelNB-GelSH水凝胶系统固有的可调谐性可根据不同的参数进行调整,以产生复杂的光共轭设计,从而为可重复性的生物功能基质提供了更多的可能性。

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图3 利用光固化投影打印方法控制固定化蛋白在GelNB-GelSH水凝胶中进行定制化分布

最后,研究人员对生物功能化GelNB-GelSH水凝胶的可编程内皮细胞生长进行了研究(图4)。为体现生物3D打印能够随着时间的推移控制细胞未来的行为,以确保可对细胞的体外或体内的迁移、增殖和分化等生物学反应进行预测,研究人员利用该平台构建了3D化学导向模型,从而产生可编程的组织血管化。

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图4 血管内皮生长因子模拟光触发用于指导内皮细胞的迁移、增殖和方向性

综上所述,该研究基于硫醇-烯点击化学的正交性和光反应特性开发了集成光固化投影式生物3D打印和正交光共轭结合的制造平台,该平台可制造出具有可编程功能的仿生组织,并通过结合天然的硫醇-烯聚合物实现定制化的3D组织环境,从而来控制不同的细胞行为结果并制造具有可编程功能的仿生组织。展望未来,这项技术将在再生医学领域开辟新的方向,以构建具有变革性的生物3D打印细胞基质,其可用于构建具有变革性的生物3D打印细胞基质、组织修复、疾病模型和干细胞工程等诸多应用中去。

论文链接:
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0142961220305408


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