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科学家研发出一款“生物3D打印友好型”生物墨水2019-03-04

     【导读】

利用捷诺飞新型3D打印设备,科学工作者研制出一款新型的生物墨水。使用这种墨水进行生物3D打印,得到的支架具有良好形状稳定性,能够有效支持细胞生长和分化。因而,其在神经组织工程和神经修复领域具有良好的应用前景。

 

 


 

在当前生物医学领域中,组织工程的作用越来越重要——通过将生物材料(支架)、细胞和生物因子整合,有望实现对生物组织和器官的修复。

对于组织工程而言,能否构建满足一定形状要求、具有类似细胞外基质特性、能为组织生长提供所需生物环境和力学支撑的三维结构支架,至关重要。

在构建所需三维支架的多种方式中,生物3D打印最具潜力。相较于其他传统方法,其优势在于,简单、快速、容易满足不同情况下的个体化需求等。

不过,在生物3D打印含细胞组织工程支架的过程中,选用合适的生物打印墨水是一大难题。基于传统水凝胶的生物墨水存在挤出困难、可打印性差、力学强度不足、细胞长期活性难以维持等缺点。

如何研制一种打印性能良好、形状稳定不易塌陷、兼具良好生物相容性的3D打印生物墨水,是生物3D打印领域面临的重大挑战。




 

台湾大学高分子科学与工程研究所徐善慧教授课题组近期设计并制备了一种新型双刺激响应型生物可降解聚氨酯分散体。这款全新的、性能优异的生物可降解墨水,有望解决生物3D打印墨水的成型固化问题。

徐善慧课题组与杭州捷诺飞生物科技股份有限公司建立长期合作,自引进捷诺飞自主开发的生物3D打印设备Bio-Architect-WS至今已有一系列科研成果。    

基于新研发的聚氨酯分散体生物可降生物墨水,徐善慧课题组用Bio-Architect®-WS打印出形状稳定、线条清晰的三维支架。


图1 双响应可降解聚氨酯的合成和化学结构

 


如图1所示,该性能优异生物可降解墨水主要由三部分构成:主链为PCL+PLLA或PDLLA的软段;具有结晶性和阴离子性的硬段;具有光交联功能的末端HEMA双键基团。

 

据介绍,这种双响应聚氨酯水分散体可先后发生两步不同机理的固化:

首先,在紫外光照和光引发剂作用下末端HEMA基团交联,形成初步交联固化;

而后,在温度接近生理温度(37℃)附近,聚氨酯软段发生粒子间相互结合,在溶液中产生物理交联聚集体,即温度敏感下的溶胶-凝胶转变固化,如图2。

 

图2 双响应聚氨酯水分散体的双步固化过程示意图

 

 

 

 

研究者发现,在经过紫外光固化和37℃温敏固化后,这种聚氨酯水分散体墨水具有适宜于3D打印的流变性能,具有良好的模量和剪切变稀性,如图3。


图3 聚氨酯生物墨水的流变特性

 

值得关注的是,这种双响应固化的墨水具有非常优异的力学性能。由于两种固化方式并存,不同配方的墨水在固化后可分别抵抗30 Pa和20 Pa的剪切应力,具有良好的蠕变后恢复性能。

研究者采用杭州捷诺飞生物科技开发的生物3D打印设备,可打印出形状稳定、线条清晰的三维支架,并且打印得到的支架的强度足以轻松用手指来拿取,如图4。


图4 3D打印支架的抗蠕变性能和力学性能




 

另一方面,混合细胞打印结果表明,细胞在这种支架内部的活性并没有因支架的力学性能而受到影响。成纤维细胞在支架内的长期活性优于细胞培养基对照组,并且这种支架还能有效支持神经干细胞的生长和分化。

即便没有培养基诱导,生长于支架内的神经干细胞分化相关基因表达总体上显著高于二维平面培养,显示了这种三维组织工程支架具有良好促进神经干细胞向神经胶质和神经元表型分化的特性,如图5。


图5 神经干细胞在三维支架内的增殖和分化





以上工作发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08362


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