韓國科學技術研究院研發(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，韓國科學技術研究院的一支研究團隊開發(fā)了一種聚（有機磷腈）水凝膠基溫敏生物墨水，該墨水可以用于3D生物打印，無需光固化即可誘導組織再生。

韓國科學技術研究院已發(fā)表用于人工器官打印的安全生物墨水，研究結果已被發(fā)表在材料領域國際學術期刊Small的最新一期，并作為內封底刊登（傳送門）

技術背景

隨著意外傷害和慢性病的增加，以及人口老齡化趨勢的加劇，生物材料的研發(fā)和應用在人造器官和組織領域越來越活躍。3D生物打印技術利用細胞和生物材料構建三維人造組織結構，最近備受關注。然而，常用的水凝膠生物墨水通常需要使用化學交聯(lián)劑和紫外線進行光固化，這可能會引起細胞毒性。

這是TNC生物墨水系統(tǒng)和骨組織工程應用的示意圖。A）TNC生物墨水表現出熱響應凝膠化行為，并通過疏水離子相互作用保持生長因子。在低于凝膠化溫度（T0=20-24℃）時，可以輕松地通過簡單混合將其摻入。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，刺激細胞遷移和成骨以促進骨愈合，并且不會出現異常骨形成。緩慢的支架降解為新形成的骨組織讓路

韓國科學技術研究院生物材料中心的宋秀昌博士領導的研究團隊，首次開發(fā)了一種聚（有機磷腈）水凝膠基溫敏生物墨水。這種墨水通過溫度控制可以穩(wěn)定保持其物理結構，無需光固化，可以誘導組織再生，并經過一定時間后在體內生物降解。

TNC生物墨水在25℃下具有良好的印刷適應性，在PBS中可保持至少30天的結構穩(wěn)定性。結果顯示，TNC生物墨水的性能表現優(yōu)于TR生物墨水

結果與討論

研究團隊發(fā)現目前常用的水凝膠生物墨水需要經過光固化過程來增強打印后的3D支架的機械性能，但這個過程可能對人體產生不良影響。此外，將外部培養(yǎng)的細胞移植到生物墨水中也可能會產生副作用。因此，他們使用溫度敏感的聚（有機磷腈）水凝膠開發(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�膠，從而實現了僅通過溫度控制即可再生組織，而無需使用化學交聯(lián)劑或紫外線照射。最終，研究團隊成功制造出具有物理穩(wěn)定結構的3D支架。

這款研發(fā)出的生物墨水具備可與生長因子相互作用的分子結構，而生長因子則是有助于組織再生的蛋白質，在長時間內可持續(xù)調節(jié)細胞生長、分化和免疫反應。研究團隊通過創(chuàng)建一個環(huán)境，在使用生物墨水打印的3D支架內，實現細胞分化的自主調節(jié)，以最大程度地促進組織再生效果。

TNC-BT生物墨水能夠加速體內骨組織再生

該研究小組使用含有細胞浸潤和骨再生所需的轉化生長因子β1（TGF-β1）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）的生物墨水，通過3D生物打印機制造了3D支架，并將其植入大鼠受損的骨骼進行實驗。結果顯示，來自周圍組織的細胞遷移到支架中，缺損的骨骼再生到了正常組織的水平。植入的3D支架在42天內在體內緩慢生物降解。

KIST的宋秀昌博士表示：“我們的研究團隊已經在2022年6月將熱敏聚磷腈水凝膠技術轉讓給了NexGel Biotech Co.，該公司正在推進骨移植材料和美容填充劑等產品的開發(fā)�！� 他還表示：“由于開發(fā)出的這種生物墨水具有不同的物理特性，我們計劃將其用于骨組織以外的其他組織再生，并希望最終能夠將針對每個組織和器官量身定制的生物墨水商業(yè)化�！�

KIST成立于1966年，是韓國第一家政府資助的研究機構，目前致力于通過領先的創(chuàng)新研究解決國家和社會面臨的挑戰(zhàn)，推動經濟增長。