載細胞的活性導電水凝膠結構3D打印方法研究

供稿人:王宇濤 賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

生物3D打印技術由于具有構建仿生組織結構的潛力，受到了來自各國專家學者和相關研究人員的廣泛關注。生物打印技術制造的仿生結構可廣泛應用于生物醫(yī)學領域，如藥物篩選和再生醫(yī)學等方面。理想情況下，用于3D生物打印的生物材料應與天然組織的機械性能、流變性能以及生物電學性能及相匹配。但是，目前用于生物3D打印的具備一定導電性能的墨水材料研究還比較有限，相應的材料體系和打印方法還有待開發(fā)。

Andrew R.等研究人員利用生物性能良好的光固化明膠（GelMA）和導電聚合物聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）合成了可用于浸沒式生物打印的導電水凝膠。

該導電水凝膠通過PEDOT：PSS與二價鈣離子的第一步交聯(lián)以及可見光對GelMA的第二步交聯(lián)（光聚合）來合成。通過改變材料體系內組分的含量可動態(tài)調節(jié)水凝膠的機械性能（楊氏模量約為40-150 kPa），改變PEDOT：PSS的濃度可實現(xiàn)電導率的動態(tài)調節(jié)，如圖1所示。

圖1.導電生物墨水（GelMA / PEDOT：PSS）的合成以及物理和微觀結構的表征

研究人員通過優(yōu)化打印工藝制造了具備復雜圖案的3D載細胞結構，細胞實驗的結果顯示與非導電的水凝膠相比，封裝在導電水凝膠內C2C12細胞的顯示出很高的細胞活性（>95%）和細胞鋪展性，如圖2所示。另外，動物實驗也表明與對照組相比導電水凝膠植入物在動物體內降解時沒有實質性的炎癥反應且基本降解完全。

圖2.使用導電生物墨水對復雜結構進行3D生物打印及細胞活性及鋪展性表征

這項研究提出了一種生物相容性良好的導電墨水的開發(fā)及打印方法，可用于復雜的載細胞結構的3D生物打印。該生物墨水在體外和體內均表現(xiàn)出可調的物理性質（機械剛度和電導率）和高度的生物相容性。浸沒式打印工藝下，制造精度可高達120μm。雖未觀察到細胞定向排列的情況，但導電聚合物（PEDOT：PSS）的添加明顯改善了水凝膠的電導率和打印保真度，同時保持了封裝在3D結構中的細胞的高生存能力。相信隨著材料技術和打印技術的進一步發(fā)展，導電水凝膠的生物打印策略可為肌肉和心肌組織工程所面臨的的問題提供更好的解決思路。

參考文獻：
Spencer, Andrew R.; Sani, Ehsan Shirzaei; Soucy, Jonathan R. Bioprinting of a Cell-Laden Conductive Hydrogel Composite. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 30518-30533