Science Advances：互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水用于擴展和優(yōu)化生物3D打印能力

來源： EngineeringForLife

現(xiàn)階段，能夠用于生物3D打印的生物墨水?dāng)?shù)量非常有限，這是因為滿足生物打印需求的墨水既要滿足打印過程中的理化需求，又要為其中所包裹的細(xì)胞提供理想的環(huán)境。生物墨水的設(shè)計是生物3D打印中的關(guān)鍵因素，但現(xiàn)有生物墨水配方中很少有同時滿足可打印性及生物相容性的配方，通常情況下生物墨水的可打印性和生物相容性是相互排斥的，為了兼容生物相容性及可打印性，會在兩者的性能要求上都做出讓步。

近期，來自倫敦帝國理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所的Molly M. Stevens團隊，在Science Advances發(fā)表的“Expandingand optimizing 3D bioprinting capabilities using complementary network bioinks”一文中，研究人員通過使用互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水實現(xiàn)了生物3D打印過程中成型性和生物相容性之間更好地兼容。該研究中所用的生物墨水同時具有溫敏性及光敏性，它們通過互補的凝膠機制來調(diào)節(jié)打印過程的不同階段。在該研究中，研究人員通過篩選合適濃度的水凝膠剛度以實現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的3D打印及培養(yǎng)，并進行了互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水應(yīng)用于組織工程的探索，且最終滿足細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程的生物學(xué)需求。

首先，研究人員通過使用甲基丙烯酸透明質(zhì)酸(HAMA)作為代表性的生物墨水進行了打印及流變學(xué)測試（圖1），對該生物墨水在目前打印方法中所存在的問題及互補型網(wǎng)絡(luò)生物墨水的優(yōu)勢進行了說明。

圖1.互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水3D打印工藝

其次，研究人員嘗試將互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水的原理推廣應(yīng)用于其他聚合物上，包括基質(zhì)衍生蛋白、基質(zhì)衍生糖胺聚糖及其他天然多糖(表1)。為此，研究人員使用了12種可光交聯(lián)生物墨水進行打印驗證（圖2）（HAMA+、HANB+、GelMA+、GelAGE+、CSMA+、DexMA+、AlgMA+、CHIMA+、HepMA+、PEGDA+、PEGA+和PEGNB+），并優(yōu)化了在不同濃度下的互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水的3D打印參數(shù)；最終證實了明膠成分主要決定了生物墨水的可打印性。

表1 該研究所適用的生物墨水

圖2 互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水庫的3D打印

開發(fā)互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水的主要目的是為了實現(xiàn)軟水凝膠結(jié)構(gòu)的3D打印。所以研究人員對軟水凝膠中明膠的添加對機械性能的影響進行了測試，研究人員對比了三種軟水凝膠互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水(HANB+、GelMA+和GelAGE+)和其無明膠成分生物墨水打印結(jié)構(gòu)的機械性能。最終結(jié)果表明明膠的加入對打印結(jié)構(gòu)的長期機械性能影響很小。

圖3 3D打印軟水凝膠結(jié)構(gòu)

最后，研究人員經(jīng)進行了不同濃度(2.5 -10 wt%)的互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水進行星形膠質(zhì)細(xì)胞的3D打印和培養(yǎng)（圖4），通過最終細(xì)胞增殖結(jié)果來看，（2.5 wt%）的GelMA+生物墨水能夠維持良好的細(xì)胞活力。研究人員后續(xù)對互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水在組織工程上的應(yīng)用也進行了探索，結(jié)果表明其具有較好的效果（圖5）。

圖4 星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物打印和培養(yǎng)

圖5 互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水用于組織工程的探索

綜上所述，該研究引入了互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水的概念，其作為一種通用的生物3D打印方法為3D打印活組織結(jié)構(gòu)提供了更為有效的策略，從而可以更容易地調(diào)整生物墨水以滿足細(xì)胞打印的生物學(xué)要求。一方面，該研究通過生物打印負(fù)載星形膠質(zhì)細(xì)胞的軟水凝膠，表明了互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水適用于軟組織來源的活結(jié)構(gòu)的生物制造。另一方面，該研究提出了互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水庫，極大地擴展了該方法所適用的生物墨水的范圍?？偠灾m然互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水不適用于那些不能與明膠混容的生物材料及溫敏反性生物材料，但除去這些材料外，該研究中的互補網(wǎng)絡(luò)生物墨水在不同的生物材料體系和3D打印方案中仍具有廣泛的適用性，并為生物制造和組織工程提供新的機會。