《先進(jìn)材料》一區(qū)期刊：自組裝納米纖維狀多肽水凝膠的3D打印，推動生物醫(yī)學(xué)研究

導(dǎo)讀：3D打印已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)研究中使用的主要制造技術(shù)之一，近年來越來越多的研究者們對水凝膠的3D打印展開了研究，以更好的復(fù)現(xiàn)具有高機(jī)械性能的生物組織結(jié)構(gòu)。水凝膠3D打印技術(shù)面臨著許多問題，因為他們的材料很軟，很難在三維空間中高保真地形成圖案。少數(shù)形成水凝膠的生物衍生聚合物經(jīng)常被用于3D打印應(yīng)用。因此，存在著對具有理想的生物特性的新型水凝膠的需求，這些水凝膠可以作為3D打印油墨使用。


2023年2月，南極熊獲悉，來自萊斯大學(xué)生物工程系的研究者們建立了多域肽（MDP）的可打印性，他們的研究以《3D Printing of Self-Assembling Nanofibrous Multidomain Peptide Hydrogels》(《自組裝納米纖維狀多肽水凝膠的3D打印》)為題發(fā)表在了《ADVANCED MATERIALS》期刊上，推動了水凝膠3D打印的發(fā)展。

研究背景
水凝膠的3D打印使研究人員能夠使用柔軟的、類似組織的材料復(fù)制生物結(jié)構(gòu)。在眾多3D打印方法中，基于擠壓原理的3D打印技術(shù)由于其工作原理簡單且易于使用而被廣泛使用。 擠壓式3D打印中使用的墨水主要由明膠、 海藻酸鹽、 透明質(zhì)酸、 膠原、 脫細(xì)胞外基質(zhì)等材料組成。在保持生物特性的同時，研究人員對天然衍生的水凝膠材料進(jìn)行化學(xué)改性，使其更易于打印。 但自然衍生的材料存在差異，經(jīng)常需要化學(xué)改性以具有足夠的機(jī)械性能，并具有預(yù)定的生物活性。

SAP是由超分子力結(jié)合組裝成納米結(jié)構(gòu)的肽。這些納米結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生一個宏觀的水凝膠。SAP易于合成，可提純，具有高度的設(shè)計靈活性。合成本身是模塊化的，SAP的特性可以通過簡單地改變其主要序列或通過加入生物活性肽序列來改變。由于SAP僅由氨基酸構(gòu)件組成，它們的化學(xué)和降解產(chǎn)物對生物無害，這是由其他聚合物制成的水凝膠所沒有的。因此，SAP提供了合成水凝膠材料的靈活性，同時也保持了天然衍生材料的生物相容性。

研究內(nèi)容
在這項工作中，研究者們提出了多域肽（MDP）的3D打印，他們在一定的生理pH值和離子強(qiáng)度下形成納米纖維水凝膠。MDP具有交替的疏水和親水氨基酸的一般結(jié)構(gòu)，兩側(cè)是帶電的殘基。反離子對帶電氨基酸的屏蔽導(dǎo)致了 "疏水夾層 "的產(chǎn)生，β-片狀纖維化，并在適當(dāng)?shù)臐舛认卵杆倌�膠化為納米纖維水凝膠。MDP已被證明在體內(nèi)植入時可促進(jìn)血管化、神經(jīng)支配和高水平的細(xì)胞浸潤，并已被用于神經(jīng)再生，癌癥治療，和疫苗輸送。不同電荷和化學(xué)功能的MDP已被發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)引起不同的免疫反應(yīng)，因此用于特定應(yīng)用的MDP可能會根據(jù)所需用途而變化。為了擴(kuò)大MDP的能力，研究人員還介紹了陰離子和陽離子MDP的3D打印評估、優(yōu)化和體外表征。


△選擇MDP做為打印材料，用多種MDP墨水進(jìn)行3D打印優(yōu)化，以及打印難度增加的構(gòu)造（包括多材料打印）。最后，用帶相反電荷的MDP墨水來創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，并觀察不同的體外特性。

研究結(jié)論


△MDP 3D打印優(yōu)化和打印結(jié)構(gòu)

在這項研究中，研究人員將MDP確立為一類新的可3D打印的水凝膠。在對其超分子組裝進(jìn)行表征后，MDP被證明擁有必要的流變特性，可用于擠壓式3D打印。然后進(jìn)行了打印優(yōu)化，并利用它來創(chuàng)造復(fù)雜的懸空結(jié)構(gòu)和多材料打印。這項工作代表了極少數(shù)涉及SAP的3D打印論文之一，并超越了以前完成的打印復(fù)雜性水平。此外，陽離子和陰離子MDP構(gòu)造的體外表征顯示了細(xì)胞形態(tài)的電荷依賴性差異和電荷無關(guān)的高細(xì)胞活力。應(yīng)進(jìn)一步研究擴(kuò)大MDP的打印數(shù)量，提高打印分辨率，并探索戰(zhàn)略性地使用MDP電荷來調(diào)節(jié)細(xì)胞行為�？偟膩碚f，MDP是一類有前途的新的3D打印油墨，它是獨特的基于肽的，完全依靠超分子機(jī)制進(jìn)行組裝。