Nature子刊：近紅外光交聯(lián)水凝膠用于活體生物3D打印

來源： EngineeringForLife

由于打印精度高、速度快，光固化3D打印成為組織再生等醫(yī)學研究的有利工具，然而由于現(xiàn)在光固化3D打印普遍采用波長較短的光源，對組織損害較大且穿透力不高，這大大限制生物體內3D打印的發(fā)展。最近，來自意大利帕多瓦大學的Nicola Elvassore團隊在Nature Biomedical engineering上發(fā)表題為“Intravital three-dimensional bioprinting”文章，提出了一種活體生物3D打印方法。他們開發(fā)的光敏水凝膠HCC通過生物正交雙光子環(huán)加成法，可以在大于850nm的波長下交聯(lián)，可實現(xiàn)在活小鼠的組織內制造復雜組織結構。

如圖1所示，他們選擇香豆素衍生物作為光敏交聯(lián)基團（HCC）。當暴露于在近紅外光的雙光子激發(fā)下時，香豆素衍生物有可以發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應，從而使水凝膠發(fā)生交聯(lián)固化，這種方式大大增強了對生物組織的穿透能力。同時由于香豆素介導的環(huán)加成沒有自由基的產生，從避免對活組織的損害。

圖1 用于活體生物3D打印的可注射HCC共軛聚合物合成原理

作者通過一系列的表征手段來展示光敏水凝膠HCC獨特的理化性質，結果表明，通過使用HCC聚合物溶液的紅外光介導的光學交聯(lián)，可以生產具有精確3D定位、微米分辨率和可調機械剛度的3D水凝膠。

圖2 光敏聚合物的表征

為了驗證活體生物打印的可行性，隨后作者在小鼠的皮膚上進行了3D打印實驗。使用雙光子顯微鏡將HCC聚合物溶液暴露于聚焦脈沖近紅外激光（λ= 850 nm）中。結果表明，在肌纖維表面制造3D水凝膠不會明顯改變總體肌纖維形態(tài)和結締組織完整性，且水凝膠僅在進行光反應的區(qū)域形成，可以進行精確的3D打印。

圖3 體內皮膚生物3D打印

最后作者研究了該方法在生物組織中打印的可行性。通過在HCC明膠溶液中負載纖維細胞和MuSCs，來驗證生物打印是否可以促進骨骼肌的新生形成。結果表明，在小鼠后肢肌肉外膜下對供體肌肉來源的干細胞進行活體3D生物打印，可導致小鼠肌纖維的新生形成。

圖4 負載細胞的3D生物打印

總結：該研究證實了近紅外光激發(fā)下進行活體生物3D打印的可行性。這種活體3D生物打印不會對生物組織造成傷害且具有非常高的組織穿透能力，可以利用常用的多光子顯微鏡對生物打印結構進行精確定位和定位，使活鼠組織內部的復雜結構得以制造，包括真皮、骨骼肌和大腦。