哈佛大學醫(yī)學院:3D打印多孔GelMA水凝膠

來源： EFL生物3D打印與生物制造

因與細胞外基質結構的相似性，可注射水凝膠在組織再生中展現了巨大的潛力。傳統的可注射水凝膠用作組織缺損填充物時，所形成的塊狀凝膠高分子網絡較為致密，通常僅含有納米級別孔，這限制了所包載細胞的生長空間及營養(yǎng)傳輸。此外，過于致密的凝膠網絡結構也不利于機體組織的融合。因此，構建從微觀到宏觀的多孔水凝膠對組織工程應用具有重大意義。

近期，哈佛大學醫(yī)學院Yu Shrike Zhang教授課題組于Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表了題為“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Propertie”的研究成果，提出了將活細胞封裝在以甲基丙烯酰明膠(GelMA)為基礎的多孔生物墨水中，通過擠出生物3D打印技術制造宏-微-納米多孔水凝膠支架，然后將圖案化的水凝膠支架注射到組織缺損部位進行修復。結果表明，這種獨特的3D打印的多孔凝膠結構在微創(chuàng)組織再生和細胞治療領域具有廣闊的應用前景。

首先，介紹了載細胞的具有微-納米多孔的水凝膠支架的制造過程。室溫下以最佳體積比混合含有細胞的GelMA預凝膠溶液與PEO溶液制備雙水相生物墨水，利用擠出生物3D打印技術打印所需載細胞水凝膠結構，光交聯后使用商業(yè)的經皮針在體外或體內注射。微米孔：GelMA水凝膠網絡所包含的孔；微米孔：將支架浸泡在PBS中去除GelMA相中的PEO以產生相互連接的微孔宏觀孔：直接3D擠出生物打印肉眼可見的孔。

圖1 3D生物打印水兩相生物墨水構建多級孔水凝膠結構原理圖

其次，對水凝膠結構進行表征，展示了不同配方水兩相生物墨水的打印及微觀結構，并指出通過調整PEO體積分數和混合時間調節(jié)孔隙率；通過微-納米多孔水凝膠結構的可逆性測試證明微孔水凝膠結構具有允許微創(chuàng)注射的潛力（圖2）。

圖2 3D生物多級孔水凝膠結構的表征

接著，驗證了多級孔水凝膠結構的壓縮性和可注射性。標準水凝膠結構在壓縮及注射后不能恢復且不能保持結構完整性（動畫1，2），而微-納米孔水凝膠結構在應變水平上不受機械壓縮的影響（圖3）。采用14G針將不同模式的微孔水凝膠結構體注射到豬組織缺陷中，證明了3D打印微-納米孔水凝膠在體外的可注射性和形狀記憶特性（圖4，動畫2，3，4）。

圖3 3D生物打印微-納米多孔水凝膠結構的形狀記憶性能評價

圖4 3D生物打印微-納米多孔水凝膠結構的可注射性測試

最后，對水凝膠結構進行了體內外生物學評估，一方面證明微-納米多孔水凝膠經過機械壓縮或注射過程后，對hMSCs的生存、增殖和擴散能力以及hMSC成脂、成骨能力并沒有影響（圖5）；另一方面，3D打印的水凝膠結構可以有效地填補組織的缺損，標準水凝膠會限制組織浸潤，而多孔水凝膠中相互連通微孔結構為組織的生長提供了足夠的空間，易與組織融合，促進修復（圖6）。

圖5 壓縮和注射后水凝膠結構的hMSC存活和增殖能力的評價

圖6 hMSC在3D生物打印多孔水凝膠結構的分化能力

3D生物打印提供了一個通用的平臺提供定制化水凝膠結構，有效匹配缺陷部位。相互連接的微孔不僅使得所構建的水凝膠在壓縮后和注入后均保持了原有的結構和功能特征，而且還允許hMSC增殖、遷移和分化。此外，具有形狀記憶特性的可注射水凝膠具有可生物降解性，有利于組織融合。因此，這類可注射3D生物打印載細胞多孔水凝膠，是一種有前途的微創(chuàng)注射和傷口修復的載體。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740