用于生物3D打印構建異質仿生體外模型的肽類樹狀分子增強生物墨水

來源： 高分子科技

基于增材制造原理，生物3D打印可將由生物材料、細胞或生長因子等組成的生物墨水逐層堆積構建出具有生物功能的復雜結構，正日益成為體外模型構建的有力工具。而作為生物3D打印的關鍵要素，生物墨水既決定了打印技術的具體實施，也直接決定了細胞存在的三維環(huán)境。但現(xiàn)有生物墨水通常面臨可打印性和生物功能性間的權衡，造成了生物制造窗口（ 高分子科技  Window）狹窄，或體外模型結構及功能單一。研究表明，生物墨水的力學性能與其網(wǎng)絡結構密不可分，而基于天然材料構建的生物墨水在外力作用下大多會發(fā)生凝膠體系破壞而無法滿足應用需求。近年來，通過構建規(guī)整網(wǎng)絡或引入能量耗散機制以增強生物墨水力學性能的研究引起了廣泛關注。其中，四臂聚乙二醇（4-Arm-PEG）因具有互補端基和相同結構尺寸以及能夠在凝膠過程中產(chǎn)生具有相同長度的鏈段而被認為是經(jīng)典的規(guī)整網(wǎng)絡。然而，4-Arm-PEG 有限的端基數(shù)量和官能團密度會導致其在被用作生物墨水時面臨著反應效率低下、成膠時間過長以及缺乏功能性等局限。

針對上述問題，南京工業(yè)大學顧忠偉/毛宏理團隊及合作團隊從生物制造窗口出發(fā)提出了一種基于肽類樹狀分子增強生物墨水的構建策略，開發(fā)出以賴氨酸樹狀大分子修飾4-Arm-PEG為主體的光點擊生物墨水，顯著縮短了生物墨水的成膠時間，提高了生物墨水的儲能模量以及壓縮強度，同時可實現(xiàn)體外復雜模型的高分辨打印。另外，基于該生物墨水，研究團隊通過生物3D打印構建了含肝細胞（HepG2/C3A）、肝星狀細胞（LX-2）和內(nèi)皮細胞（EA.hy.926）的血管化肝模型，不僅從結構上模擬了體內(nèi)肝臟的實質層及非實質層，同時在動態(tài)灌注條件下更大程度地仿生了體內(nèi)肝臟微環(huán)境，實現(xiàn)了肝模型的血管內(nèi)皮屏障、糖原儲存、白蛋白分泌和尿素生成等能力。相關研究成果發(fā)表在國際重要刊物《Acta Biomaterialia》上(Peptide-dendrimer-reinforced bioinks for 3D bioprinting of heterogeneous and biomimetic in vitro models. 2023, DOI: 10.1016/j.actbio.2023.08.008)，文章第一作者為周可博士，通訊作者為顧忠偉/毛宏理教授。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發(fā)計劃等基金的資助。

Figure 1. 肽類樹狀分子增強生物墨水制備及其用于生物3D打印血管化肝模型示意圖

Figure 2. 肽類樹狀分子增強生物墨水理化性能表征

Figure 3. 肽類樹狀分子增強生物墨水可打印性評價

Figure 4. 基于肽類樹狀分子增強生物墨水的打印結構形狀保真度評價

Figure 5. 肽類樹狀分子增強生物墨水用于生物3D打印血管化肝模型

Figure 6. 基于肽類樹狀分子增強生物墨水構建的血管化肝模型功能評價

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.08.008