Advanced Functional Materials: 聚电解质生物“墨水”常态打印实现大尺寸和功能化组织工程支架构建

三维打印(3D Printing)技术的出现使得个性化组织工程支架成为可能。尽管三维打印支架已经取得了很大的成果,在支架的大尺寸打印和功能化上仍然存在较大的挑战,主要是缺乏合适的生物墨水。为了满足个性化医学发展需求,开发兼具可打印性、优异成型性能和生物相容性以及功能化的生物墨水具有很大的研究价值与意义。

最近,中国深圳先进技术研究院阮长顺课题组与合作者设计开发了基于海藻酸盐的新型聚电解质生物墨水, 成功突破了传统海藻酸盐基-钙离子打印“墨水”体系的不稳定且生物活性差等应用瓶颈。海藻酸盐是线性聚阴离子型多糖,主要结构单元为β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(G),由于海藻酸盐具有优异的打印性能和与钙离子快速交联成型性能,同时较好的生物相容性有利于包载细胞,海藻酸盐是生物打印领域构建生物墨水最为常用的材料之一。与钙离子快速结合是海藻酸盐的优点但其也存在不足,钙离子在生理环境下容易与其他单价离子发生置换,从而破坏了支架的交联结构,最终导致支架坍塌。海藻酸盐虽然具有较好的生物相容性,但是海藻酸盐的生物活性较低,限制了海藻酸在生物打印中的应用。

该团队首次报道了海藻酸盐/聚赖氨酸基聚电解质生物墨。聚赖氨酸是天然提取的阳离子型聚氨基酸,由25-30个赖氨酸聚合而成,具有较好生物相容性和水溶性。海藻酸盐是聚阴离子型多糖,其上的羧基与聚赖氨酸的氨基存在电荷相互作用,因此提高海藻酸盐的稳定性。聚赖氨酸分子量相对较小,因此不影响海藻酸盐的打印性能,流变学检测显示不同比例的海藻酸盐/聚赖氨酸生物墨水均具有很好的剪切稀化属性。由于电荷相互作用,海藻酸盐/聚赖氨酸生物墨水能够实现在常态下大尺寸自支撑复杂结构三维支架的打印,而且支架在水溶液中具有很好的稳定性,包载细胞的存活率较高。进一步对支架进行温和交联,能够实现支架表面电荷可调控性,提高了支架长期的稳定性。基于可调控的支架表面电荷,实现了促进细胞黏附和固定各种生长因子或细胞外基质,体外细胞实验证实了固定的生长因子或细胞外基质对于干细胞基因表达的调控作用,证明了该生物墨水能提高了海藻酸的生物活性并制备功能化三维大尺寸组织工程支架。

研究者相信,使用海藻酸盐/聚赖氨酸生物墨水有利于实现大尺寸高稳定性的三维支架个性化打印,而且支架的可调控的电荷和降解性能有望将其应用于各种生长因子与细胞外基质的固定,赋予支架生物功能,从而满足不同组织的修复需求。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201808439)上。

该文的第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院研究助理林子锋,通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺副研究员、潘浩波研究员与北京积水潭医院陈大福教授。

阮长顺课题组致力于开展生物打印与医用材料等领域相关研究,先后成功研发骨诱导型功能生物墨水(Advanced Science,2018)、高强度水凝胶墨水构建骨/软骨一体化修复支架(Advanced Functional Materials,2018; ACS Biomaterials Science & Engineering,2017)等。

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