Biomaterials：結(jié)合光固化投影式3D打印和正交光共軛生物制造方法

來(lái)源： EngineeringForLife

生物3D打印的一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)就是能使細(xì)胞、生物材料和生物活性劑受控地放置在的打印結(jié)構(gòu)中，從而用于生物組織和器官的制造。然而，目前細(xì)胞兼容性和生物材料可打印性等諸多因素限制了生物3D打印的應(yīng)用。

近期，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的陳紹琛教授課題組在“Biomaterials”上發(fā)表的“A sequential 3D bioprinting and orthogonal bioconjugation approach for precision tissue engineering”一文中，研究人員開發(fā)了一個(gè)集成投影式光固化3D打印和正交光共軛的制造平臺(tái)，其可用于制造精密的組織工程結(jié)構(gòu)。研究人員還通過使用光活性硫醇-烯明膠生物墨水進(jìn)行光固化投影打印，實(shí)現(xiàn)含有生物因子且質(zhì)地較軟的水凝膠的快速成型，從而使得對(duì)生物物理性質(zhì)的局部調(diào)節(jié)以及對(duì)固定化官能團(tuán)的空間分布和濃度的精確控制成為可能。

首先，研究人員合成了一種由降冰片烯官能化明膠(GelNB)和巰基官能化明膠(GelSH)兩種前驅(qū)體組成的純明膠硫醇-烯預(yù)聚體(圖1)，并使用該水凝膠進(jìn)行了視網(wǎng)膜毛細(xì)血管的設(shè)計(jì)打印，其分辨率小可至10-30μm。

圖1 利用基于光固化投影生物3D打印和正交生物偶聯(lián)平臺(tái)進(jìn)行生物功能化GelNB-GelSH水凝膠的成型制造

鑒于GelNB-GelSH材料的打印適宜性，研究人員隨后研究了不同摩爾比對(duì)打印水凝膠物理及生物性能的影響（圖2）。結(jié)果表明所有的GelNB-GelSH水凝膠在達(dá)到溶脹平衡后的7天內(nèi)都保持穩(wěn)定，沒有明顯的尺寸變化。隨后研究人員為了評(píng)估GelNB-GelSH水凝膠作為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSC)支持基質(zhì)的潛力，將IPSC來(lái)源的心肌細(xì)胞(IPSC-CMS)包裹在水凝膠中進(jìn)行打印，從活/死染色圖像中可觀察出，在7天內(nèi)GelNB-GelSH水凝膠中幾乎沒檢測(cè)到死亡的細(xì)胞，這證實(shí)了生物3D打印GelNB-GelSH水凝膠用于制造心臟和血管組織工程應(yīng)用的功能性細(xì)胞負(fù)載組織結(jié)構(gòu)的潛力。

圖2 GelNB-GelSH水凝膠的物理特性和包裹細(xì)胞的生物相容性

隨后，研究人員就光修飾蛋白在GelNB-GelSH水凝膠中的空間可控性進(jìn)行了研究(圖3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該制造平臺(tái)和GelNB-GelSH水凝膠系統(tǒng)固有的可調(diào)諧性可根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生復(fù)雜的光共軛設(shè)計(jì)，從而為可重復(fù)性的生物功能基質(zhì)提供了更多的可能性。

圖3 利用光固化投影打印方法控制固定化蛋白在GelNB-GelSH水凝膠中進(jìn)行定制化分布

最后，研究人員對(duì)生物功能化GelNB-GelSH水凝膠的可編程內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)行了研究（圖4）。為體現(xiàn)生物3D打印能夠隨著時(shí)間的推移控制細(xì)胞未來(lái)的行為，以確?？蓪?duì)細(xì)胞的體外或體內(nèi)的遷移、增殖和分化等生物學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究人員利用該平臺(tái)構(gòu)建了3D化學(xué)導(dǎo)向模型，從而產(chǎn)生可編程的組織血管化。

圖4 血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子模擬光觸發(fā)用于指導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、增殖和方向性

綜上所述，該研究基于硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)的正交性和光反應(yīng)特性開發(fā)了集成光固化投影式生物3D打印和正交光共軛結(jié)合的制造平臺(tái)，該平臺(tái)可制造出具有可編程功能的仿生組織，并通過結(jié)合天然的硫醇-烯聚合物實(shí)現(xiàn)定制化的3D組織環(huán)境，從而來(lái)控制不同的細(xì)胞行為結(jié)果并制造具有可編程功能的仿生組織。展望未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新的方向，以構(gòu)建具有變革性的生物3D打印細(xì)胞基質(zhì)，其可用于構(gòu)建具有變革性的生物3D打印細(xì)胞基質(zhì)、組織修復(fù)、疾病模型和干細(xì)胞工程等諸多應(yīng)用中去。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0142961220305408