純絲蛋白可作為體積增材制造生物墨水

來源： GK綠鑰生物科技

相較于傳統的逐層式打印方式，體積增材制造（Volumetric Additive Manufacturing，VAM）通過旋轉投影動態(tài)變化的光圖案實現三維物體的快速光聚合。然而，生物墨水的缺乏是限制VAM在生物醫(yī)學領域應用的關鍵問題。為解決這一瓶頸，哈佛醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授團隊開發(fā)了未經改性的純絲蛋白（包括絲膠蛋白（silk sericin，SS）和絲素蛋白（silk fibroin，SF））（生物）墨水用于VAM（生物）打印。相關工作以“Volumetric Additive Manufacturing of Pristine Silk-Based (Bio)inks”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。通訊作者為哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang教授。文章第一作者為廣州醫(yī)科大學謝茂彬教授，論文共同第一作者為哈佛醫(yī)學院連黎明（現為佐治亞理工大學在讀博士）。

作者通過VAM打印的SS結構展示了可逆且可重復的收縮、膨脹或形狀記憶特性；而VAM打印的SF結構則表現出可大范圍調控的機械性能特性，機械強度范圍可從幾百Pa調控至幾百MPa。這兩種純絲蛋白（生物）墨水均展現出良好的細胞相容性。該研究工作擴展了VAM的（生物）墨水庫，進一步拓寬了其生物醫(yī)學應用范圍。

1. SS和SF（生物）墨水在低濃度下展現優(yōu)異的VAM打印性能
研究人員從天然蠶絲纖維中分別提取SS和SF兩種成分，并利用SS和SF分子側鏈上的酪氨酸基團能與RU/SPS光引發(fā)劑復合物在一定條件下發(fā)生光聚合反應機理，分別制備了SS和SF兩種（生物）墨水（圖1）。在接下來的打印性測試中，研究人員發(fā)現SS和SF均可在低濃度下（2.5%）實現快速VAM打印，并展現出打印多種復雜結構的優(yōu)良打印性能（圖2）。

圖1. SS和SF（生物）墨水制備和光交聯機理

圖2. SS和SF（生物）墨水VAM打印性測試

2. VAM打印SS結構的分辨率可達50 μm

隨后，在VAM打印分辨率測試中，研究人員利用VAM分別打印了多種具有細微結構特征的實心和空心結構（圖3）。發(fā)現VAM打印SS結構的最小分辨率可以達到45.9 μm，而VAM打印SF結構的最小分辨率是57 μm。VAM打印分辨率受多種因素影響，包括結構、光強、時間和生物墨水種類及濃度等。其中，入射光的穿透深度是關鍵因素之一。高濃度Ru引發(fā)劑會顯著降低入射光的穿透深度，從而影響VAM打印分辨率。

圖3 VAM打印SS和SF結構的分辨率測試

3. VAM打印的SS和SF結構具有可調控的機械性能特性
通過后處理方法，VAM打印的SS結構展示了可逆且可重復的收縮、膨脹或形狀記憶特性；而SF結構則表現出可大范圍調控的機械性能特性，壓縮模量范圍可從幾百Pa調控至幾百MPa。這主要是因為SF內部雙交聯網絡（酪氨酸雙鍵和beta折疊）的形成（圖4）。

圖4 VAM打印SS和SF結構的理化性能表征

4. SS和SF生物墨水都具展現了良好的細胞相容性
在一定的細胞密度內，活細胞的加入并不會顯著影響SS和SF的打印性。此外，VAM生物打印的SS和SF結構中，包裹的細胞在14天的體外培養(yǎng)中都保持了較高的存活率和細胞代謝活力。在VAM生物打印的SS結構中，C2C12細胞展現出了比在SF結構中更明顯的展開行為（圖5）。

圖5 VAM生物打印SS和SF細胞兼容性測試

5. VAM生物打印SF骨螺釘概念應用
最后，研究人員展示了VAM生物打印SF骨螺釘的概念應用前景（圖6）。首先利用VAM生物打印了SF骨螺釘，再將人骨髓間充質干細胞（MSCs）孵育在SF骨螺釘表面。在后續(xù)的體外培養(yǎng)中，MSCs能夠較好地粘附在SF骨螺釘表面并快速增殖，并且在14天的體外培養(yǎng)期間持續(xù)表達成骨相關基因。此外，通過后處理方法使SF骨螺釘形成雙交聯網絡，大幅提高其機械強度，并在體外豬骨植入實驗中驗證了其作為可植入醫(yī)療器件的可行性。

圖6 VAM生物打印SF骨螺釘應用展示

總結：研究人員成功開發(fā)了天然、未改性的SS和SF（生物）墨水用于VAM（生物）3D打印。這兩種（生物）墨水在低濃度（2.5%）下展現出優(yōu)異的打印性能，能夠打印復雜結構。其中，SS打印物的收縮和再膨脹特性是可逆的，表明其在形狀記憶材料、4D印刷、軟機器人和藥物輸送等領域具有潛力。通過進一步的后處理引發(fā)雙交聯網絡結構，VAM打印的SF無細胞結構的壓縮模量可從幾百Pa調控至約250 MPa。此外，SS和SF均表現出良好的細胞相容性。這項工作豐富了VAM的（生物）墨水庫。