用于懸浮3D生物打印的逐步多交聯(lián)生物墨水的開發(fā)及其促進(jìn)全層皮膚缺損修復(fù)

來源： 高分子科學(xué)前沿

由創(chuàng)傷、燒傷、糖尿病等引起的全層皮膚缺損通常自愈緩慢，從而導(dǎo)致相關(guān)組織和器官的功能限制和運(yùn)動(dòng)障礙。自體皮膚移植作為治療大規(guī)模皮膚缺損的最典型方法，通常存在供體不足和皮膚壞死等嚴(yán)重缺陷，這使得其治療效果并不理想。近年來，采用3D生物打印技術(shù)制造的仿生皮膚支架引起了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。其作為一種新興的增材制造策略，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以將由生物材料、活細(xì)胞或生長因子組成的“生物墨水”精準(zhǔn)沉積到空間預(yù)定義的位置上，從而構(gòu)建具有多尺度復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的個(gè)性化組織。然而，目前用于3D生物打印的生物墨水通常表現(xiàn)出一些局限性，例如打印精度低、機(jī)械性能及細(xì)胞相容性較差。因此，如何獲得兼具仿生性和可打印性的生物墨水是3D生物打印中亟須解決的重要難題。

針對上述問題，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院毛宏理教授和顧忠偉教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出通過逐步多交聯(lián)策略實(shí)現(xiàn)溫敏性生物墨水（巰基化Pluronic F127和甲基丙烯酸酐基透明質(zhì)酸）的懸浮3D生物打印。具體而言，首先在低溫條件下（4-20℃）水凝膠前驅(qū)體溶液通過邁克爾加成反應(yīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)交聯(lián)，打印過程中在高溫懸浮浴內(nèi)（30-37℃）通過PPO鏈段的自組裝實(shí)現(xiàn)二次交聯(lián)，并在打印完成后通過光交聯(lián)（硫醇-烯“點(diǎn)擊”反應(yīng)）進(jìn)一步穩(wěn)定水凝膠結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的逐步交聯(lián)機(jī)制可以保證溫敏性生物墨水在不同打印階段具有可調(diào)的粘度，使其能夠打印出具有高形狀保真度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)保持細(xì)胞的生物活性。進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，載有細(xì)胞的打印水凝膠可以通過調(diào)節(jié)炎癥、加速膠原沉積和血管生成，顯著促進(jìn)皮膚傷口修復(fù)并提高其愈合質(zhì)量。綜上，該研究所提出的逐步多交聯(lián)策略對于加快多功能生物墨水的開發(fā)和拓寬3D打印的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有重要意義。該研究成果發(fā)表在國際重要刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上。(Stepwise Multi-Cross-Linking Bioink for 3D Embedded Bioprinting to Promote Full-Thickness Wound Healing. 2023, DOI: 10.1021/acsami.3c00688)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省卓越博士后計(jì)劃等基金的資助和支持。

圖一：用于懸浮3D生物打印的逐步多交聯(lián)溫敏生物墨水的開發(fā)及使用載有細(xì)胞的打印水凝膠治療全層皮膚缺損。

圖二：生物墨水打印參數(shù)的優(yōu)化。(A)粘溫曲線。(B)剪切速率-粘度曲線。(C)生物墨水?dāng)D出細(xì)絲線寬的定量分析。（D）基于打印的孔結(jié)構(gòu)（良好：正方形，邊界清晰；正常：類圓形，邊界模糊；不良：無定形，邊界重疊）對HP7.5生物墨水的打印參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。(E)使用HP7.5生物墨水打印不同的幾何形狀。

圖三：皮膚傷口愈合評估。(A)傷口代表性大觀圖。(B)傷口愈合示意圖。(C)傷口閉合率的定量數(shù)據(jù)圖。