絲素蛋白水凝膠支架4D打印在組織工程中的應用

供稿人：曹陽 導師：田小永
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

組織工程是將種子細胞，支架材料和生物活性因子通過有效方法結(jié)合，在體外或體內(nèi)構(gòu)建組織或器官的新興學科。絲素蛋白作為一種天然材料，可被加工成水凝膠、納米纖維、多孔支架等不同形態(tài)，其具有良好的力學性能、生物相容性和可調(diào)降解速率，降解產(chǎn)物無毒無害，得到了科研人員的廣泛研究。采用形狀記憶材料通過4D打印成型復雜結(jié)構(gòu)，在植入體內(nèi)后自動變形為支架結(jié)構(gòu)，可極大程度降低治療過程中病患所受痛苦。2020年韓國翰林大學開展了一項研究，采用絲素蛋白水凝膠4D生物打印制備了氣管支架，動物實驗表明該支架能夠較好的與宿主器官整合在一起，在緩慢降解的過程中誘導組織和軟骨生長，具有較大的臨床應用價值。

研究人員從兔耳軟骨中分離出軟骨細胞，在培養(yǎng)基中培養(yǎng)三周后，采用特制的光固化生物墨水（甲基丙烯酸縮水甘油酯改性絲素蛋白，Sli-MA）通過4D DLP技術(shù)打印制備了實驗所需氣管支架。下圖比較了4D DLP打印與普通DLP打印的區(qū)別與優(yōu)勢。

圖1 普通DLP打印與4D DLP打印性能對比 （a）DLP打印過程示意圖，（b）4D DLP打印技術(shù)主要優(yōu)勢：可同時打印具有兩種或以上材料類型的曲面結(jié)構(gòu)，（c）4D DLP打印速度相較普通DLP打印而言更快。

打印完成后，研究人員對支架變形效果進行了測試。試驗表明，支架在浸入溶液后，能夠在60分鐘內(nèi)緩慢完成變形為預設(shè)形狀，通過控制溶液的鹽離子濃度可以改變支架彎曲的曲率。隨后研究人員對支架進行了為期兩周的體外模擬培育試驗，結(jié)果如圖2所示，大量軟骨細胞和膠原蛋白附著在支架表面，說明支架對相關(guān)組織和細胞能夠起到較好的生長誘導作用。最終，研究人員采用試驗用白兔完成了支架的氣管內(nèi)移植，證明了支架對氣管康復具有明顯促進作用。下圖為支架體外培育實驗結(jié)果圖。

圖2 支架體外模擬培育實驗（上下分別為1周、2周時細胞組織的生長情況，通過染色觀察得知，隨培養(yǎng)時間的延長，軟骨細胞和膠原蛋白區(qū)域顯著增加）
綜合目前研究來看，絲素蛋白水凝膠材料在組織工程臨床應用中前景廣闊，通過4D打印成型個性化精細結(jié)構(gòu)，能滿足各類患者人群的需求，實現(xiàn)醫(yī)療定制化。將兩者結(jié)合，采用生物降解材料打印完整支架并移植入病患位置，能夠有效解決疾病或其他因素導致的組織缺損問題，為較大范圍組織缺損和損傷提供了新思路，具有重要意義。

參考文獻：
Kim S H, Seo Y B, Yeon Y K, et al. 4D-bioprinted silk hydrogels for tissue engineering[J]. Biomaterials, 2020,260:120281.