基于GelMA雙層網(wǎng)絡載細胞混合打印軟組織移植物

來源： EngineeringForLife

當前再生治療中，軟組織缺損仍然是無法攻克的難題。因為軟組織缺損的大小，形狀和組織組成不盡相同，所以沒有單一的解決方案能夠重建具有相同體積和機械特性的替代組織。當前的臨床技術用天然材料（例如游離的脂肪組織移植物和自體真皮脂肪皮瓣）和合成材料（例如可商購的有機硅植入物）做為暫時解決方案。然而由于形狀保持效率低下和美學效果無法預測，以上臨床治療導致患者滿意度低，因此必須采取更強有力的策略來修復軟組織缺損。

基于擠出的3D打印以天然組織的特征為參照，通過以有組織的逐層方式精確放置細胞和基質(zhì)材料，從而在定制形狀的軟組織等效物的制造中加以利用。盡管此制造方法有利，但將該技術應用于軟組織工程時，存在常見的材料問題。例如，各種天然衍生的聚合物（例如膠原蛋白/明膠，藻酸鹽，纖維蛋白和透明質(zhì)酸）可打印性好，且供體部位的發(fā)病率和免疫反應小，但在體內(nèi)會迅速變形和塌陷。相反，合成的聚己內(nèi)酯和聚（D，L）-丙交酯等聚合物與天然軟組織具有機械失配，不存在用于細胞附著的表面配體，并且降解產(chǎn)物對細胞的代謝和增殖產(chǎn)生負面影響。盡管生物墨水配方取得了進步，但沒有任何一種墨水能夠模仿軟組織，并且具有長期的形狀和尺寸保持，機械穩(wěn)定性以及主體整合能力。

圖1 打印墨水和混合支架示意圖

為了解決這些局限性，近期，馬里蘭大學John P. Fisher團隊發(fā)表在期刊“Advanced Functional Materials”題為“Hybrid 3D Printing of Synthetic and Cell-Laden Bioinks for Shape Retaining Soft Tissue Grafts”的研究成果提出了一種新穎的雙重生物墨水3D打印策略。該策略利用不可降解和可生物降解水凝膠的優(yōu)勢來創(chuàng)造具有長期形狀和體積保留的仿生構造（圖1）。該團隊設計了兩種墨水：與天然衍生和物理交聯(lián)的藻酸鹽共價連接的聚乙二醇（PEG）的雙網(wǎng)絡（DN），以及甲基丙烯酸明膠（GelMA）的可生物降解的充滿細胞的生物油墨。DN墨水可提供必要的強大物理支持，以保持長期的移植物體積和結構，而可降解的生物墨水提供刺激組織再生所必需的生物環(huán)境（圖1A）。這種打印方法可以精確地沉積水凝膠纖維，在功能上可以相互補充，并可以構建復雜的幾何形狀，例如鼻子，耳朵和甲狀腺軟骨（圖1B）。

圖2 溶脹特性

圖3 不同打印形式的機械性能測試

圖4 復雜形狀保真度

此外，開發(fā)了一種利用CloudCompare軟件的新形狀分析技術，該技術擴展了用于評估支架美學特性的可用工具箱。借助這種動態(tài)3D生物打印策略，可以通過更改不可降解與犧牲鏈的打印比例來輕松調(diào)制具有堅固內(nèi)部結構的復雜幾何形狀。這種混合打印制造平臺的多功能性可以激發(fā)未來多材料再生植入物的設計。

圖5 點云彩色圖比較

論文地址：
https://doi.org/10.1002/adfm.201907145.