使用通用正交網(wǎng)絡(luò)生物水凝膠的生物3D打印
生物3D打印技術(shù)是一種很有潛力的類組織結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，但生物墨水缺乏多樣性是限制其發(fā)展的一個主要因素。為了滿足這種對普遍適用的生物墨水策略的需求，斯坦福大學(xué)的Sarah C. Heilshorn教授團隊開發(fā)了一種通用的生物正交生物墨水交聯(lián)機制，它可以與細胞兼容，并與一系列聚合物實現(xiàn)交聯(lián)，并在Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表了題為“3D Bioprinting using UNIversal Orthogonal Network (UNION) Bioinks”的文章，制備了以明膠、透明質(zhì)酸(HA)、重組彈性樣蛋白(ELP)和聚乙二醇(PEG)作為主聚合物的通用正交網(wǎng)絡(luò)(聯(lián)合)生物墨水。并對其可打印性、力學(xué)性能、擴散系數(shù)等進行了表征。并用通用正交水凝膠加載基質(zhì)貼壁的人角膜間充質(zhì)基質(zhì)細胞和非基質(zhì)貼壁的人誘導(dǎo)多能干細胞進行打印實驗。打印后，細胞仍保持高活力和表達特征表型標(biāo)記。
生物材料種類的缺乏，是限制生物3D打印技術(shù)發(fā)展的最大的障礙。由于細胞表型對周圍環(huán)境的生物化學(xué)和機械特性非常敏感，生物墨水提供的基質(zhì)特性對于細胞多樣化將變得越來越重要。理想情況下，每種細胞類型都可以匹配自己的生物墨水基質(zhì)特性，這樣生物墨水就可以根據(jù)所需組織應(yīng)用的細胞和結(jié)構(gòu)需求進行定制。由于目前可用的生物墨水?dāng)?shù)量有限，顯然需要一種通用的生物墨水策略，這種策略可以很容易地定制，以支持任何類型的細胞。但目前水凝膠材料的交聯(lián)策略數(shù)量有限，最終導(dǎo)致生物墨水多樣性的缺乏。
為了實現(xiàn)更大的生物墨水多樣性，需要新的交聯(lián)策略。為了避免生物墨水在成型過程中產(chǎn)生不利于細胞存活的生物化學(xué)刺激。開發(fā)的通用生物墨水家族必須滿足以下條件：(1)使用細胞兼容的適用多種聚合物交聯(lián)方法；(2)可以聚合生成大分子結(jié)構(gòu)；(3)對多種支撐浴都可以通用；(4)對多種細胞類型可進行生物化學(xué)和機械性能定制。
通用正交生物墨水的制備是通過SPAAC反應(yīng)將生物正交的化學(xué)基團接枝到水凝膠材料的主鏈上，并將互補的雙正交化學(xué)基團修飾到交聯(lián)劑分子上。通過控制交聯(lián)劑分子向生物墨水內(nèi)的擴散，發(fā)生SPAAC交聯(lián)反應(yīng)，實現(xiàn)水凝膠材料的交聯(lián)固化。
文章主要采用凝膠懸浮浴的方式進行打印，剪切變稀的凝膠支撐材料中混入了交聯(lián)劑，擠出噴頭伸入液面以下擠出的生物墨水構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，同時交聯(lián)劑小分子就開始向生物墨水中擴散，并同時發(fā)生SPAAC反應(yīng)，最后通過交聯(lián)固化，得到完整的三維實體水凝膠結(jié)構(gòu)。文章應(yīng)用該方法打印了窗口結(jié)構(gòu)、多材料方塊以及多材料拉伸結(jié)構(gòu)。
由于該類生物墨水使用的是相同的生物正交化學(xué)方法和相同的交聯(lián)劑，因此可以用相同的方法交聯(lián)多種生物墨水，只要滿足它們都接枝了相同的生物正交基團。這樣，就可以把多種聚合物材料混合在一起，創(chuàng)造出具有不同聚合物組成的無限生物墨水庫，以供進一步定制。
此外，通用生物墨水系統(tǒng)適應(yīng)性的關(guān)鍵是其定制能力，以匹配所需的生物打印應(yīng)用。故研究者還根據(jù)不同細胞種類的基質(zhì)力學(xué)性能構(gòu)建細胞培養(yǎng)的支架，驗證了角膜基質(zhì)細胞、神經(jīng)前體細胞等在生物墨水材料內(nèi)依然保持有良好的存活性和功能表達性。證明生物正交交聯(lián)生物墨水與其他生物分子沒有交叉反應(yīng)，包括存在于細胞表面、培養(yǎng)基或墨水本身的生物分子，這使其成為一種通用策略。
綜上說明，聯(lián)合生物墨水戰(zhàn)略作為一個通用的生物墨水平臺。該策略或?qū)崿F(xiàn)多材料和多細胞生物打印，模擬體內(nèi)結(jié)構(gòu)，并可能增強3D生物打印技術(shù)的轉(zhuǎn)化和治療潛力。
信息來源: EngineeringForLife
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