通過循環(huán)加熱冷卻法，研發(fā)3D生物打印用半互穿網(wǎng)絡生物墨水！

導讀：近年來，3D打印在構建復雜的三維生理微環(huán)境方面的發(fā)展引起了人們的極大關注。然而，在3D打印的擠出過程中，提供一種對細胞無害、模具精度高的生物墨水是非常具有挑戰(zhàn)性的。生物墨水既需要滿足打印的物理化學要求，又需要為封裝細胞提供理想的環(huán)境。目前的生物墨水研發(fā)仍是一個不小的挑戰(zhàn)。

2022年4月，南極熊獲悉，杭州電子科技大學的研究者們，開發(fā)了一種提高半互穿網(wǎng)絡生物墨水剪切變稀性能的技術，該技術普遍適用于海藻酸鹽/明膠材料。讓我們看看他們的研究內(nèi)容和研究成果吧！

杭州電子科技大學的研究團隊采用循環(huán)加熱冷卻法制備的半互穿網(wǎng)絡生物墨水具有優(yōu)良的剪切變稀性能，在不犧牲支架精度的前提下，可減少細胞損傷。打印后的細胞活力提高了15%以上，驗證了制備此種材料的可行性。此外，低分子量、寬分子量分布的生物墨水也促進了細胞的均勻分布和細胞在簇中的增殖。本研究揭示了半互穿網(wǎng)絡生物墨水的分子參數(shù)對打印性能的影響，并對細胞活性進行了研究，證明了它可以廣泛適用于用各種生物墨水，從而構建模擬的細胞外基質(zhì)。

研究小組通過循環(huán)加熱冷卻法制備了生物墨水，并對生物墨水進行實驗性能測定。生物墨水的光譜分析、流變性、打印后支架后的物理性能測試如下圖們所示。


△能夠產(chǎn)生高度生物活性和精密結構的方法



△循環(huán)反復加熱/冷卻后生物墨水的FTIR分析



△生物墨水的相對分子質(zhì)量和流變學特性。(A)SA/G-A、SA/G-B和SA/G-C的分子量分布；(B)凝膠-溶膠的相變溫度；(C)粘度-剪切速率圖；(D)生物油墨的觸變性；(E)剪切變稀機理示意圖。


△由生物墨水打印的支架物理特性

由于細胞活性直接影響支架細胞的增殖、分化和蛋白表達能力，因此研究細胞在打印過程中和打印后對細胞存活的影響是很重要的。為了確定生物墨水對細胞行為的影響，研究人員分析了細胞分布、細胞存活和遷移的情況。研究人員還研究了所研制的墨水的細胞相容性等特性。通過分析，可知通過循環(huán)加熱-冷卻處理能夠制備分子量分布較寬的SA/G-C生物墨水。并且這種生物墨水的相對分子質(zhì)量變小，促進了細胞的均勻分布；這種半互穿網(wǎng)絡生物墨水具有更高的剪切敏感性，可以減少擠壓過程造成的破壞，其相互連接的多孔結構為細胞增殖提供了空間。


△研究細胞存活的影響

為了提高擠壓生物3D打印后的打印精度和細胞存活率，研究人員提出了一種高剪切敏感度的半互穿網(wǎng)絡生物油墨的研制方法，通過控制加熱-冷卻循環(huán)次數(shù)和改變長分子鏈的長度和柔性實現(xiàn)了分子鏈的重組和重構。分子水平的變化改變了生物墨水的物理化學性質(zhì)。這項研究的意義如下：

▪通過該方法制備了高剪切變稀生物墨水，不僅提高了細胞的存活率和細胞分布，而且促進了細胞的增殖。

▪從材料的分子結構出發(fā)，指導立體細胞打印，對3D打印具有重要意義。盡管生物墨水提高了打印精度和細胞活性，但細胞分化、蛋白質(zhì)表達和軟骨修復仍需進一步研究。

▪此外，本研究所采用的方法和原理對基于擠出的三維生物打印聚合物的研究具有指導意義，有利于組織再生的發(fā)展。

更多內(nèi)容請下載原文查看：https://doi.org/10.1038/s41598-022-10338-1