用于懸浮3D生物打印的逐步多交聯(lián)生物墨水的開發(fā)及其促進全層皮膚缺損修復

來源： 高分子科學前沿

由創(chuàng)傷、燒傷、糖尿病等引起的全層皮膚缺損通常自愈緩慢，從而導致相關組織和器官的功能限制和運動障礙。自體皮膚移植作為治療大規(guī)模皮膚缺損的最典型方法，通常存在供體不足和皮膚壞死等嚴重缺陷，這使得其治療效果并不理想。近年來，采用3D生物打印技術制造的仿生皮膚支架引起了研究學者的廣泛關注。其作為一種新興的增材制造策略，通過計算機輔助設計可以將由生物材料、活細胞或生長因子組成的“生物墨水”精準沉積到空間預定義的位置上，從而構建具有多尺度復雜拓撲結構的個性化組織。然而，目前用于3D生物打印的生物墨水通常表現(xiàn)出一些局限性，例如打印精度低、機械性能及細胞相容性較差。因此，如何獲得兼具仿生性和可打印性的生物墨水是3D生物打印中亟須解決的重要難題。

針對上述問題，南京工業(yè)大學材料科學與工程學院毛宏理教授和顧忠偉教授團隊創(chuàng)新地提出通過逐步多交聯(lián)策略實現(xiàn)溫敏性生物墨水（巰基化Pluronic F127和甲基丙烯酸酐基透明質(zhì)酸）的懸浮3D生物打印。具體而言，首先在低溫條件下（4-20℃）水凝膠前驅(qū)體溶液通過邁克爾加成反應實現(xiàn)預交聯(lián)，打印過程中在高溫懸浮浴內(nèi)（30-37℃）通過PPO鏈段的自組裝實現(xiàn)二次交聯(lián)，并在打印完成后通過光交聯(lián)（硫醇-烯“點擊”反應）進一步穩(wěn)定水凝膠結構。這種獨特的逐步交聯(lián)機制可以保證溫敏性生物墨水在不同打印階段具有可調(diào)的粘度，使其能夠打印出具有高形狀保真度的復雜結構的同時保持細胞的生物活性。進一步的體內(nèi)實驗表明，載有細胞的打印水凝膠可以通過調(diào)節(jié)炎癥、加速膠原沉積和血管生成，顯著促進皮膚傷口修復并提高其愈合質(zhì)量。綜上，該研究所提出的逐步多交聯(lián)策略對于加快多功能生物墨水的開發(fā)和拓寬3D打印的生物醫(yī)學應用具有重要意義。該研究成果發(fā)表在國際重要刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上。(Stepwise Multi-Cross-Linking Bioink for 3D Embedded Bioprinting to Promote Full-Thickness Wound Healing. 2023, DOI: 10.1021/acsami.3c00688)。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃、江蘇省卓越博士后計劃等基金的資助和支持。

圖一：用于懸浮3D生物打印的逐步多交聯(lián)溫敏生物墨水的開發(fā)及使用載有細胞的打印水凝膠治療全層皮膚缺損。

圖二：生物墨水打印參數(shù)的優(yōu)化。(A)粘溫曲線。(B)剪切速率-粘度曲線。(C)生物墨水擠出細絲線寬的定量分析。（D）基于打印的孔結構（良好：正方形，邊界清晰；正常：類圓形，邊界模糊；不良：無定形，邊界重疊）對HP7.5生物墨水的打印參數(shù)進行優(yōu)化。(E)使用HP7.5生物墨水打印不同的幾何形狀。

圖三：皮膚傷口愈合評估。(A)傷口代表性大觀圖。(B)傷口愈合示意圖。(C)傷口閉合率的定量數(shù)據(jù)圖。