台湾大学科学家研究威尼斯电影节发行“生物3D打印友好型”生物墨水

在当前的生物医学领域,组织工程发挥着越来越重要的作用——通过整合生物材料(支架)、细胞和生物因子,有望实现生物组织和器官的修复。

对于组织工程来说,构建满足一定形状要求、具有相似细胞外基质特征、能够为组织生长提供必要的生物环境和机械支持的三维结构支架非常重要。

生物3D打印在构建所需3D支架的各种方法中具有最大的潜力。

与其他传统方法相比,它的优点是简单、快速、易于满足不同情况下的个体需求。

然而,在含细胞组织工程支架的生物3D打印过程中,选择合适的生物打印墨水是一个大问题。

传统的水凝胶基生物墨水具有挤出困难、印刷适性差、机械强度不足和难以维持长期细胞活性的缺点。

如何开发出打印性能好、形状稳定、生物相容性好的3D打印生物墨水是生物3D打印领域的一大挑战。

2019年3月4日,据报道,台湾大学高分子科学与工程研究所徐善辉教授的研究小组最近设计并制备了一种新型双刺激响应型可生物降解聚氨酯分散体。

这种性能优异的全新生物降解油墨有望解决生物3D油墨的成型和固化问题。

许善辉的研究小组与杭州金诺菲生物技术有限公司建立了长期合作关系,自从引进金诺菲自主开发的生物3D打印设备——生物建筑师-WS以来,至今已经取得了一系列的科研成果。

基于新开发的聚氨酯分散体生物可降解生物墨水,许善辉的研究小组利用生物建筑师工作站(Bio-Architect -WS)打印出形状稳定、线条清晰的三维支架。

图1双响应可降解聚氨酯的合成和化学结构如图1所示。性能优异的可生物降解油墨主要由三部分组成:以聚己内酯+PLLA或PDLLA为主链的软链段;具有结晶度和阴离子的硬链段;具有光交联功能的末端HEMA双键基团。

据介绍,这种双响应聚氨酯水分散体可以经历两种不同的固化机理:首先,末端HEMA基团在紫外光和光引发剂的作用下交联形成初始交联固化;然后,在接近生理温度(37℃)的温度附近,聚氨酯的软链段彼此结合,导致溶液中的物理交联聚集体,即在温度敏感性下的溶胶-凝胶转化固化,如图2所示。

图2双反应聚氨酯水分散体两步固化工艺示意图。研究人员发现,经过紫外光固化和37℃温敏固化后,聚氨酯水分散体油墨具有适合3D打印的流变性能,并具有良好的模量和剪切变稀性,如图3所示。

图3聚氨酯生物油墨的流变性能值得注意的是,这种双响应固化油墨具有非常优异的机械性能。

由于两种固化方法并存,不同配方的油墨固化后能分别抵抗30Pa和20Pa的剪切应力,具有良好的蠕变恢复性能。

研究人员使用杭州杰诺菲生物技术公司开发的生物3D打印设备,可以打印出稳定的三维支架形状和清晰的线条,打印出来的支架足够结实,容易被手指拿起,如图4所示。

台湾大学科学家研究威尼斯电影节发行“生物3D打印友好型”生物墨水图43D显示了支架的抗蠕变性和机械性能。另一方面,混合细胞印刷结果显示支架内细胞的活性不受支架机械性能的影响。

支架中成纤维细胞的长期活性优于细胞培养基对照组,该支架还能有效支持神经干细胞的生长和分化。

即使没有培养基诱导,支架中生长的神经干细胞分化相关基因的表达也明显高于二维平面培养,这表明三维组织工程支架具有促进神经干细胞分化为神经胶质细胞和神经元表型的良好特性,如图5所示。

图5上述关于神经干细胞在三维支架中增殖和分化的研究发表在《材料与应用》杂志上。在《接口》杂志上。

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