組織工程新篇章：可見光引發(fā)的3D生物打印技術(shù)

Engineering

本文選自中國工程院院刊 Engineering 2021年7月刊，原文出自：Visible Light-Induced 3D Bioprinting Technologies and Corresponding Bioink Materials for Tissue Engineering: A Review（可見光引發(fā)的3D生物打印技術(shù)及其生物墨水材料在組織工程領(lǐng)域的研究進(jìn)展）

3D生物打印技術(shù)是一種基于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)發(fā)展起來的新興技術(shù)。該技術(shù)可以把生物相容性材料、細(xì)胞或生物活性因子進(jìn)行精準(zhǔn)組裝，為組織工程研究提供新方向。在眾多3D生物打印技術(shù)中，光固化3D生物打印技術(shù)在組織工程研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而光固化3D生物打印技術(shù)的成功應(yīng)用又與生物材料的光固化特性不可分割。在可見光固化材料中，光交聯(lián)水凝膠因聚合速度快、時間和結(jié)構(gòu)可控的特點而極具研究價值和應(yīng)用潛能。眾所周知，光聚合反應(yīng)通常由紫外線或可見光引發(fā)。然而，紫外線用于3D生物打印可能會造成細(xì)胞損傷，影響細(xì)胞的活力。而可見光在生物安全性方面具有獨特的優(yōu)勢，所以，將可見光交聯(lián)技術(shù)應(yīng)用在3D生物打印領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。在本研究中，中國科學(xué)院賴毓霄研究團隊回顧了目前可應(yīng)用的由可見光引發(fā)的3D生物打印技術(shù)，并對可見光交聯(lián)生物墨水的交聯(lián)機理、可見光引發(fā)劑類型和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了介紹。最后，研究人員對可見光引發(fā)的3D生物打印設(shè)備及水凝膠目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了討論。

隨著人體重要器官終末期衰竭率的激增，醫(yī)學(xué)界迫切需要一種能夠有效修復(fù)和恢復(fù)受損器官的創(chuàng)新治療方法。此外，器官移植領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)在于最佳捐贈者器官短缺和匹配的困難。近年來組織工程在再生受損組織方面取得了顯著成就并引起了臨床移植醫(yī)生和研究人員的廣泛關(guān)注。組織工程被認(rèn)為是一種可能的手段，用于解決臨床對活體器官日益增長的需求以及解決活體器官移植的局限性。細(xì)胞、支架和生物/生化因子一般被稱為基于組織工程的再生醫(yī)學(xué)策略的“構(gòu)建模塊”的基本要素。理想的組織工程生物活性支架將為細(xì)胞、生物活性因子和周圍組織之間的相互作用提供平臺。此外，支架為細(xì)胞提供物理支撐并控制因子的釋放。

生物墨水是生物打印中的打印前體，通常是基于包含細(xì)胞的熱敏或光聚合材料。它作為細(xì)胞載體，能夠確保打印成型中的精確定位、避免打印過程中細(xì)胞機械損傷和保護打印后材料形成的有利于細(xì)胞生長的微環(huán)境。在眾多的打印材料中，水凝膠是一類通過化學(xué)鍵或物理力形成的三維（3D）網(wǎng)絡(luò)聚合物。它可以在水中膨脹，但不會溶于水。一些水凝膠顯示出類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的可滲透結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為細(xì)胞增殖提供了優(yōu)越的3D微環(huán)境。鑒于這些特性，許多類型的水凝膠都可以應(yīng)用在組織工程的各個領(lǐng)域。聚合物鏈之間會發(fā)生兩種交聯(lián)：化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)。不同的交聯(lián)方法對水凝膠的凝膠動力學(xué)以及性質(zhì)會產(chǎn)生不同的影響。物理交聯(lián)的水凝膠主要依靠分子間作用力、氫鍵和其他弱相互作用力�；瘜W(xué)交聯(lián)的水凝膠則由共價鍵形成，相比物理交聯(lián)的水凝膠強度更高。在化學(xué)交聯(lián)方法中，光聚合因其獨特的性能而備受關(guān)注。

光聚合是獲得共價交聯(lián)水凝膠的一種簡單、干凈且方便的方法。光聚合可以在空間和時間上有效地控制水凝膠的形成和結(jié)構(gòu)。目前，光聚合主要是用紫外線（UV）來實現(xiàn)的，但細(xì)胞在暴露期間可能會受損。相比之下，當(dāng)將紫外線換成可見光時，水凝膠體系則擁有更高的細(xì)胞相容性和更廣泛的應(yīng)用前景。此外，可見光具有更高的穿透深度，這使得水凝膠的結(jié)構(gòu)更均勻。可見光交聯(lián)水凝膠已在組織工程、3D細(xì)胞封裝和藥物輸送等眾多領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。

在研究中，中國科學(xué)院賴毓霄研究團隊簡要討論了可應(yīng)用于可見光誘導(dǎo)生物打印的3D生物打印技術(shù)[如擠出式生物打印（圖1）]及設(shè)備的操作原理和特點。然后，系統(tǒng)概述了可見光交聯(lián)生物墨水，包括交聯(lián)機制和可見光引發(fā)劑，并重點介紹了它們在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。最后，討論了生物打印和可見光交聯(lián)水凝膠所面臨的挑戰(zhàn)，并且對發(fā)展前景與發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

圖1. 三種擠出式生物打印示意圖。

研究結(jié)果表明，3D生物打印和組織工程在方法和材料方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展�？梢姽饨宦�(lián)水凝膠可以像紫外線交聯(lián)水凝膠一樣快速地進(jìn)行光聚合，從而實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臋C械強度和所需的空間結(jié)構(gòu)。因此，這些水凝膠已經(jīng)成為3D生物打印和組織工程的通用生物材料平臺。近年來的進(jìn)展賦予了可見光交聯(lián)水凝膠諸多優(yōu)點，如與不同類型細(xì)胞的高細(xì)胞相容性、通過結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)強度和更廉價的交聯(lián)裝置。此外，可見光生物打印還有許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，如疾病模型和藥物篩選。與在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)相比，生物打印技術(shù)能更方便地在體外觀察細(xì)胞在3D空間內(nèi)的動態(tài)通信行為。水凝膠模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的組成，可以精確模擬體內(nèi)的動態(tài)變化以及自然組織的功能。此外，光聚合水凝膠在空間布局上的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整也更加方便�？傮w而言，可見光誘導(dǎo)的生物打印對未來的組織再生和生物醫(yī)學(xué)工程具有很高的價值。