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        科學家研發出一款“生物3D打印友好型”生物墨水
        2019-03-04  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛
        【導讀】
        利用捷諾飛新型3D打印設備,科學工作者研制出一款新型的生物墨水。使用這種墨水進行生物3D打印,得到的支架具有良好形狀穩定性,能夠有效支持細胞生長和分化。因而,其在神經組織工程和神經修復領域具有良好的應用前景。
         

        在當前生物醫學領域中,組織工程的作用越來越重要——通過將生物材料(支架)、細胞和生物因子整合,有望實現對生物組織和器官的修復。對于組織工程而言,能否構建滿足一定形狀要求、具有類似細胞外基質特性、能為組織生長提供所需生物環境和力學支撐的三維結構支架,至關重要。


        在構建所需三維支架的多種方式中,生物3D打印最具潛力。相較于其他傳統方法,其優勢在于,簡單、快速、容易滿足不同情況下的個體化需求等。不過,在生物3D打印含細胞組織工程支架的過程中,選用合適的生物打印墨水是一大難題?;趥鹘y水凝膠的生物墨水存在擠出困難、可打印性差、力學強度不足、細胞長期活性難以維持等缺點。如何研制一種打印性能良好、形狀穩定不易塌陷、兼具良好生物相容性的3D打印生物墨水,是生物3D打印領域面臨的重大挑戰。


        臺灣大學高分子科學與工程研究所徐善慧教授課題組近期設計并制備了一種新型雙刺激響應型生物可降解聚氨酯分散體。這款全新的、性能優異的生物可降解墨水,有望解決生物3D打印墨水的成型固化問題。徐善慧課題組與杭州捷諾飛生物科技股份有限公司建立長期合作,是捷諾飛自主開發的生物3D打印設備Bio-Architect®-WS的第一個客戶?;谛卵邪l的聚氨酯分散體生物可降生物墨水,徐善慧課題組用Bio-Architect®-WS打印出形狀穩定、線條清晰的三維支架。
         

        圖1 雙響應可降解聚氨酯的合成和化學結構

        如圖1所示,該性能優異生物可降解墨水主要由三部分構成:主鏈為PCL+PLLA或PDLLA的軟段;具有結晶性和陰離子性的硬段;具有光交聯功能的末端HEMA雙鍵基團。據介紹,這種雙響應聚氨酯水分散體可先后發生兩步不同機理的固化:首先,在紫外光照和光引發劑作用下末端HEMA基團交聯,形成初步交聯固化;而后,在溫度接近生理溫度(37℃)附近,聚氨酯軟段發生粒子間相互結合,在溶液中產生物理交聯聚集體,即溫度敏感下的溶膠-凝膠轉變固化,如圖2。
         


        圖2 雙響應聚氨酯水分散體的雙步固化過程示意圖

        研究者發現,在經過紫外光固化和37℃溫敏固化后,這種聚氨酯水分散體墨水具有適宜于3D打印的流變性能,具有良好的模量和剪切變稀性,如圖3。
         


        圖3 聚氨酯生物墨水的流變特性
         
        值得關注的是,這種雙響應固化的墨水具有非常優異的力學性能。由于兩種固化方式并存,不同配方的墨水在固化后可分別抵抗30 Pa和20 Pa的剪切應力,具有良好的蠕變后恢復性能。研究者采用杭州捷諾飛生物科技開發的生物3D打印設備,可打印出形狀穩定、線條清晰的三維支架,并且打印得到的支架的強度足以輕松用手指來拿取,如圖4。
         


        圖4 3D打印支架的抗蠕變性能和力學性能

        另一方面,混合細胞打印結果表明,細胞在這種支架內部的活性并沒有因支架的力學性能而受到影響。成纖維細胞在支架內的長期活性優于細胞培養基對照組,并且這種支架還能有效支持神經干細胞的生長和分化。


        即便沒有培養基誘導,生長于支架內的神經干細胞分化相關基因表達總體上顯著高于二維平面培養,顯示了這種三維組織工程支架具有良好促進神經干細胞向神經膠質和神經元表型分化的特性,如圖5。



        圖5 神經干細胞在三維支架內的增殖和分化


        以上工作發表在
        ACSApplied Materials & Interfaces期刊上。
        論文鏈接:
        https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08362

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