3D打印載表面功能結(jié)構(gòu)的堅(jiān)韌水凝膠支架用于組織再生

來源： EFL生物3D打印與生物制造

體內(nèi)很多組織主要成分是蛋白類有機(jī)材料，有著很好的強(qiáng)度和韌性。在組織再生修復(fù)中常用的生物水凝膠也是以從天然組織中提取的明膠等為作為主要成分，但其在提取及工程化處理后，生物學(xué)性能很大程度上保留下來，強(qiáng)度和韌性卻喪失了。故而目前的生物水凝膠及打印的水凝膠支架大多軟脆，力學(xué)性能不佳。那能否在體外恢復(fù)出類體內(nèi)的強(qiáng)度和韌性？

EFL團(tuán)隊(duì)在2023年報(bào)道了一種機(jī)械訓(xùn)練方法，將明膠基水凝膠的強(qiáng)度提升了145倍。但該工作的局限性在于，該方法無法與3D打印集成，難以實(shí)現(xiàn)有序的三維結(jié)構(gòu)。本研究提出了一種通用的堅(jiān)韌水凝膠支架制造方法(打印-P、訓(xùn)練-T、交聯(lián)-C)來填補(bǔ)這一空白。通過3D打印制備定制化結(jié)構(gòu)、光交聯(lián)鎖定強(qiáng)化訓(xùn)練結(jié)果，將水凝膠支架的強(qiáng)度提升622倍，進(jìn)一步的我們制備出具有3D打印定制化多孔載表面功能結(jié)構(gòu)的堅(jiān)韌水凝膠支架，并進(jìn)行了系列體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其有效性。

我們首先通過3D打印制造出具有所需結(jié)構(gòu)的水凝膠支架(P)。然后，通過鹽析輔助的循環(huán)機(jī)械訓(xùn)練(T)，支架可以具有極高的機(jī)械性能和功能表面結(jié)構(gòu)。最后，通過光交聯(lián)處理(C)固定訓(xùn)練結(jié)果。獲得的堅(jiān)韌明膠水凝膠支架具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度，在保證優(yōu)異生物學(xué)性能的同時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)6.66 MPa(是未經(jīng)處理的622倍)。

該支架具有從納米到微米到毫米的功能表面結(jié)構(gòu)，可以有效地誘導(dǎo)細(xì)胞定向生長(zhǎng)，該方法還能通過支架力學(xué)性能的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kPa-10 MPa人體組織的仿生。我們還證明了這是一個(gè)通用的策略，許多生物水凝膠，如明膠和絲素蛋白，都可以通過該策略提升強(qiáng)度。我們通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)強(qiáng)韌的水凝膠體系有極佳的生物學(xué)性能，能促進(jìn)缺損組織的快速再生。

相關(guān)研究以“3D Printing of Tough Hydrogel Scaffolds with Functional Surface Structures for Tissue Regeneration”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。浙江大學(xué)的賀永教授和浙江大學(xué)口腔醫(yī)院的謝志堅(jiān)教授為論文共同通訊作者，共同第一作者為姚克博士和洪高英博士。

圖1 堅(jiān)韌水凝膠支架的制備方法及特點(diǎn)

研究者首先通過3D打印制備具有多孔和定制結(jié)構(gòu)的水凝膠支架，隨后在訓(xùn)練中，將水凝膠放在硫酸銨溶液中反復(fù)拉伸。通過鹽析進(jìn)行相分離，硫酸銨取代水分子的位置，在水凝膠支架表面和內(nèi)部形成定向微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水凝膠分子鏈有序排列。然后將水凝膠置于PBS溶液中釋放預(yù)拉伸，并從水凝膠中釋放硫酸銨，以確保水凝膠支架的生物相容性。經(jīng)過幾輪訓(xùn)練，研究者構(gòu)建了具有功能表面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌的水凝膠支架。

圖2 堅(jiān)韌水凝膠制備過程示意圖及性能

進(jìn)一步，研究者研究了水凝膠支架在硫酸銨溶液中拉伸訓(xùn)練時(shí)的強(qiáng)化機(jī)制。帶電殘基之間的相互作用可以提供特異性。在訓(xùn)練過程中，水凝膠分子鏈的結(jié)合順序與結(jié)合物質(zhì)的電荷強(qiáng)度有關(guān)。硫酸銨離子強(qiáng)度最高，首先與親水分子鏈結(jié)合。因此，在拉伸訓(xùn)練過程中，由于結(jié)合能低于配位的強(qiáng)化結(jié)合能，H2O被SO42−配位強(qiáng)化。隨著拉伸過程的繼續(xù)，分子鏈在拉伸應(yīng)力的作用下變得更加緊密，并沿拉伸方向定向。當(dāng)SO42−的配位能高于水分子的配位能時(shí)，原來與分子鏈結(jié)合的水分子會(huì)被SO42−所取代。由于離子強(qiáng)度和結(jié)合能的變化，水分子逐漸從GelMA分子鏈上解離(圖3i)，使其密度增大，實(shí)現(xiàn)了水凝膠支架的強(qiáng)化過程。研究者通過分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。綜上所述，高取向度分子鏈與致密的分子鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同顯著增強(qiáng)了水凝膠支架的力學(xué)性能。

圖3 堅(jiān)韌水凝膠支架強(qiáng)化機(jī)理

接下來研究者發(fā)現(xiàn)，在水凝膠支架的訓(xùn)練過程中，不同的拉伸比例會(huì)影響訓(xùn)練效果。在拉伸開始時(shí)，隨著拉伸比的增大，分子鏈沿拉伸方向排列的效果更加明顯，強(qiáng)化效果也更加明顯。但是，如果拉伸比過大，水凝膠纖維可能會(huì)斷裂，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而影響水凝膠支架的力學(xué)性能。最終研究者確定100%為最佳拉伸比例（圖4）。隨后研究者驗(yàn)證了堅(jiān)韌水凝膠支架能夠顯著延長(zhǎng)其降解時(shí)間，能夠匹配組織修復(fù)時(shí)長(zhǎng)。且通過訓(xùn)練后，幾乎不含硫酸鹽組分，保證了其生物相容性。

圖4 堅(jiān)韌水凝膠支架的可打印性及拉伸比例的影響

有趣的是，該策略可以通過改變鹽的類型產(chǎn)生機(jī)械性能為10 kPa-10 MPa的仿生人體組織力學(xué)性能的堅(jiān)韌水凝膠支架，并且許多水凝膠，如明膠和絲素蛋白水凝膠，可以通過這個(gè)策略得到改善，顯著提升其力學(xué)強(qiáng)度或斷裂延展性。

圖5 堅(jiān)韌水凝膠力學(xué)性能可調(diào)

細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，堅(jiān)韌水凝膠支架不僅具有良好的生物相容性，并且能夠顯著促進(jìn)細(xì)胞黏附。并且在4天內(nèi)可有效誘導(dǎo)C2C12細(xì)胞定向生長(zhǎng)。

圖6 堅(jiān)韌水凝膠支架的生物相容性

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，該支架能在4周內(nèi)有效促進(jìn)新一代肌纖維、血管和神經(jīng)的生成，促進(jìn)大容量肌肉損失損傷的快速再生。

圖7 術(shù)后2周和4周各組再生肌肉組織學(xué)分析

圖8 術(shù)后2周和4周各組再生肌肉的免疫組織化學(xué)分析

文章來源：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01524-z