摘要
南洋理工大學研究團隊開發(fā)了一種雙重熱響應和可光交聯(lián)生物墨水,包括甲基丙烯酸明膠(GelMA)和甲基纖維素(MC)或甲基丙烯酸甲基纖維素(MCMA)。這種生物墨水既可用作直接擠出生物墨水,也可用作嵌入式生物打印的支撐槽,成功擴展了生理溫度下直接和嵌入式生物打印能力。

研究背景
人體組織和器官是嵌入三維(3D)細胞外基質(zhì)(ECM)中的各種細胞類型的分層復雜組裝體。3D生物打印是一種生產(chǎn)載有3D細胞的結構的有前途的策略,能夠制造與目標組織的天然生理學高度相似的仿生微環(huán)境生態(tài)位。生物打印窗口與可打印性和生物相容性之間的平衡有關。生物墨水的直接擠出打印并在永久交聯(lián)之前同時保持良好的形狀保真度并不是一項簡單的任務。成功的生物墨水可打印性受多種因素控制,并與材料特性(例如流變學和凝膠化機制)和加工條件(例如溫度)密切相關。
通常,較高的聚合物濃度和粘度可實現(xiàn)卓越的結構保真度,但會犧牲理想的泡孔行為。此外,在擠壓過程中暴露于高剪切應力會導致細胞活力低下。提高溫度可以降低許多生物墨水配方中的粘度,從而減少剪切應力并提高細胞活力,但通常會影響打印適性。相比之下,較低的溫度可以通過增加粘度來幫助印刷適性。由于生物材料固有的特性和實驗簡單性,生物墨水通常在室溫(RT)(20-25°C)而不是生理溫度(PT)(37°C)下進行生物3D打印。然而,明顯的溫差和隨后的剪切應力變化以及生物打印時間的延長可能導致細胞凋亡。
研究成果
南洋理工大學研究團隊開發(fā)了一種雙重熱響應和可光交聯(lián)生物墨水,包括甲基丙烯酸明膠(GelMA)和甲基纖維素(MC)或甲基丙烯酸甲基纖維素(MCMA)。這種生物墨水既可用作直接擠出生物墨水,也可用作嵌入式生物打印的支撐槽。
實驗數(shù)據(jù)與分析
實驗結果表明,通過調(diào)控GelMA與MC/MCMA的比例,可以精確控制生物墨水的流變學特性和交聯(lián)行為。在生理溫度下,該生物墨水表現(xiàn)出優(yōu)異的剪切稀化特性和快速的自修復能力,能夠在保持高細胞活力的同時實現(xiàn)復雜結構的精確打印。
光交聯(lián)與熱交聯(lián)的協(xié)同作用不僅增強了水凝膠的力學性能,還提供了良好的生物相容性和可控的降解速率,為組織工程應用提供了理想的微環(huán)境。
嵌入式生物打印應用
作為支撐浴,生物墨水可以通過嵌入式生物打印在PT制造復雜的載細胞結構,允許各種細胞類型和可灌注通道的空間模式,支撐浴充當基質(zhì)以提供長期支持和細胞儲存庫。
通過這種方法,研究團隊成功打印了具有復雜內(nèi)部結構的組織模型,包括血管網(wǎng)絡和多層細胞構建體,為藥物篩選和疾病模型研究提供了有力工具。
結論與展望
基于GelMA、MC和MCMA開發(fā)的雙重熱響應和可光交聯(lián)生物墨水,成功擴展了PT下直接和嵌入式生物打印能力。該生物墨水具有可調(diào)特性和自修復能力,支持復雜組織模型構建,為大規(guī)模組織工程應用提供了新途徑。
這項研究不僅解決了傳統(tǒng)生物打印中溫度依賴性的挑戰(zhàn),還為開發(fā)更先進的生物墨水系統(tǒng)提供了理論基礎和技術支持。未來的工作將集中在優(yōu)化生物墨水配方以適應不同組織類型的需求,以及探索其在體內(nèi)應用的潛力。











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