韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)用于3D打印人工器官的安全生物墨水，加速組織再生

2023年4月16日，南極熊獲悉，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院的一支研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種聚（有機(jī)磷腈）水凝膠基溫敏生物墨水，該墨水可以用于3D生物打印，無(wú)需光固化即可誘導(dǎo)組織再生。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院已發(fā)表用于人工器官打印的安全生物墨水，研究結(jié)果已被發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Small的最新一期，并作為內(nèi)封底刊登（傳送門(mén)）

技術(shù)背景

隨著意外傷害和慢性病的增加，以及人口老齡化趨勢(shì)的加劇，生物材料的研發(fā)和應(yīng)用在人造器官和組織領(lǐng)域越來(lái)越活躍。3D生物打印技術(shù)利用細(xì)胞和生物材料構(gòu)建三維人造組織結(jié)構(gòu)，最近備受關(guān)注。然而，常用的水凝膠生物墨水通常需要使用化學(xué)交聯(lián)劑和紫外線進(jìn)行光固化，這可能會(huì)引起細(xì)胞毒性。

這是TNC生物墨水系統(tǒng)和骨組織工程應(yīng)用的示意圖。A）TNC生物墨水表現(xiàn)出熱響應(yīng)凝膠化行為，并通過(guò)疏水離子相互作用保持生長(zhǎng)因子。在低于凝膠化溫度（T0=20-24℃）時(shí)，可以輕松地通過(guò)簡(jiǎn)單混合將其摻入。B）在25℃打印后，生物墨水變硬，具有最佳特性，體溫（37℃）下表現(xiàn)出最佳的生物相容性。C）將TNC生物墨水支架植入大鼠顱骨缺損模型中，刺激細(xì)胞遷移和成骨以促進(jìn)骨愈合，并且不會(huì)出現(xiàn)異常骨形成。緩慢的支架降解為新形成的骨組織讓路

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院生物材料中心的宋秀昌博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，首次開(kāi)發(fā)了一種聚（有機(jī)磷腈）水凝膠基溫敏生物墨水。這種墨水通過(guò)溫度控制可以穩(wěn)定保持其物理結(jié)構(gòu)，無(wú)需光固化，可以誘導(dǎo)組織再生，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后在體內(nèi)生物降解。

TNC生物墨水在25℃下具有良好的印刷適應(yīng)性，在PBS中可保持至少30天的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，TNC生物墨水的性能表現(xiàn)優(yōu)于TR生物墨水

結(jié)果與討論

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)目前常用的水凝膠生物墨水需要經(jīng)過(guò)光固化過(guò)程來(lái)增強(qiáng)打印后的3D支架的機(jī)械性能，但這個(gè)過(guò)程可能對(duì)人體產(chǎn)生不良影響。此外，將外部培養(yǎng)的細(xì)胞移植到生物墨水中也可能會(huì)產(chǎn)生副作用。因此，他們使用溫度敏感的聚（有機(jī)磷腈）水凝膠開(kāi)發(fā)了一種新的生物墨水材料，該材料在低溫下呈液體形式，在體溫下變?yōu)橛材z，從而實(shí)現(xiàn)了僅通過(guò)溫度控制即可再生組織，而無(wú)需使用化學(xué)交聯(lián)劑或紫外線照射。最終，研究團(tuán)隊(duì)成功制造出具有物理穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的3D支架。

這款研發(fā)出的生物墨水具備可與生長(zhǎng)因子相互作用的分子結(jié)構(gòu)，而生長(zhǎng)因子則是有助于組織再生的蛋白質(zhì)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可持續(xù)調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和免疫反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境，在使用生物墨水打印的3D支架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化的自主調(diào)節(jié)，以最大程度地促進(jìn)組織再生效果。

TNC-BT生物墨水能夠加速體內(nèi)骨組織再生

該研究小組使用含有細(xì)胞浸潤(rùn)和骨再生所需的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1（TGF-β1）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）的生物墨水，通過(guò)3D生物打印機(jī)制造了3D支架，并將其植入大鼠受損的骨骼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，來(lái)自周?chē)M織的細(xì)胞遷移到支架中，缺損的骨骼再生到了正常組織的水平。植入的3D支架在42天內(nèi)在體內(nèi)緩慢生物降解。

KIST的宋秀昌博士表示：“我們的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在2022年6月將熱敏聚磷腈水凝膠技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了NexGel Biotech Co.，該公司正在推進(jìn)骨移植材料和美容填充劑等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?！?他還表示：“由于開(kāi)發(fā)出的這種生物墨水具有不同的物理特性，我們計(jì)劃將其用于骨組織以外的其他組織再生，并希望最終能夠?qū)⑨槍?duì)每個(gè)組織和器官量身定制的生物墨水商業(yè)化?！?br />
KIST成立于1966年，是韓國(guó)第一家政府資助的研究機(jī)構(gòu)，目前致力于通過(guò)領(lǐng)先的創(chuàng)新研究解決國(guó)家和社會(huì)面臨的挑戰(zhàn)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。