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

來源： 高分子科學前沿

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，從而導致相關(guān)組織和器官的功能限制和運動障礙。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者的廣泛關(guān)注。其作為一種新興的增材制造策略，通過計算機輔助設(shè)計可以將由生物材料、活細胞或生長因子組成的“生物墨水”精準沉積到空間預(yù)定義的位置上，從而構(gòu)建具有多尺度復雜拓撲結(jié)構(gòu)的個性化組織。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、機械性能及細胞相容性較差。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)大學材料科學與工程學院毛宏理教授和顧忠偉教授團隊創(chuàng)新地提出通過逐步多交聯(lián)策略實現(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鏈段的自組裝實現(xiàn)二次交聯(lián)，并在打印完成后通過光交聯(lián)（硫醇-烯“點擊”反應(yīng)）進一步穩(wěn)定水凝膠結(jié)構(gòu)。這種獨特的逐步交聯(lián)機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雜結(jié)構(gòu)的同時保持細胞的生物活性。進一步的體內(nèi)實驗表明，載有細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，顯著促進皮膚傷口修復并提高其愈合質(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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃、江蘇省卓越博士后計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)生物墨水擠出細絲線寬的定量分析。（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。