德國維爾茨堡大學(xué)：凝膠 AGE 樹脂助力體積生物打印軟組織工程發(fā)展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物制造領(lǐng)域,，增材制造（AM）技術(shù)發(fā)展迅速，為生物制造帶來了新機遇,，但也面臨諸多挑戰(zhàn),。傳統(tǒng)AM技術(shù)存在制造速度慢、分層偽影等問題,，限制了復(fù)雜構(gòu)建物的分辨率,。光固化成型（VP）技術(shù)雖有一定優(yōu)勢，但目前用于體積生物打�,。╒BP）的樹脂仍存在局限,，開發(fā)可用于VBP的新型樹脂成為該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。尤其是制造適用于軟組織工程的柔軟水凝膠,，對光樹脂的粘度,、光學(xué)透明度等要求苛刻，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足 ,。  

來自德國維爾茨堡大學(xué)的Tomasz Jungst團隊開發(fā)了一種基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂,，旨在滿足VBP的加工要求，并應(yīng)用于軟組織工程,。通過系統(tǒng)地改變前體濃度,，成功制備出具有不同機械性能的水凝膠,，其楊氏模量在0.2 - 1.0 kPa之間，適合脂肪組織培養(yǎng),。研究成果表明,，這種新型樹脂能實現(xiàn)高吞吐量的VBP，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了新的解決方案,，推動了生物制造領(lǐng)域的發(fā)展 ,。相關(guān)工作以“Flexible Allyl‐Modified Gelatin Photoclick Resin Tailored for Volumetric Bioprinting of Matrices for Soft Tissue Engineering”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

研究內(nèi)容
1. gelAGE 光點擊樹脂用于體積生物打印的原理及軟組織模擬研究
通過設(shè)計合成實驗和理論分析的方法,，研究基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂在體積生物打�,。╒BP）中的應(yīng)用，以及該樹脂構(gòu)建的基質(zhì)對軟組織模擬的適用性,。結(jié)果表明,，利用硫醇 - 烯交聯(lián)反應(yīng)與四臂巰基化聚乙二醇（PEG4SH）結(jié)合，可制備出柔軟（0.2 - 1.0 kPa）且適用于 VBP 的樹脂,，其模量與多種軟組織相似,，為軟組織工程提供了新選擇。

圖1. 柔性烯丙基改性明膠光點擊樹脂的體積生物打印示意圖以及gelAGE配方的楊氏模量與軟組織的硬度匹配度

2. gelAGE基水凝膠的物理化學(xué)特性分析
采用溶脹分析,、質(zhì)量損失測定和力學(xué)性能測試等實驗手段,，研究不同濃度（2.75% 和 6%）gelAGE 基水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示,，低濃度凝膠溶脹率更高,、質(zhì)量損失趨勢不同，且兩者交聯(lián)密度有差異,；力學(xué)測試表明,，低濃度凝膠楊氏模量約 0.2 - 0.4 kPa，高濃度約 0.75 - 1.0 kPa,，均符合脂肪組織力學(xué)范圍,，適合脂肪細(xì)胞培養(yǎng)。

圖2. gelAGE基水凝膠物理化學(xué)表征

3. gelAGE基樹脂的流變特性研究
運用振蕩測量,、溫度掃描,、頻率掃描和旋轉(zhuǎn)測試等流變學(xué)方法，研究 gelAGE 基樹脂的流變特性和光固化過程,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，該樹脂室溫下為液態(tài)便于操作，降溫形成物理凝膠,，溫度掃描有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點,，高濃度凝膠化更快；頻率掃描顯示模量穩(wěn)定,，旋轉(zhuǎn)測試中高濃度樹脂粘度增長更明顯,，光流變測試表明光照可快速引發(fā)交聯(lián),，滿足 VBP 對樹脂粘度和固化速度的要求。

圖3. gelAGE基樹脂的流變性質(zhì)檢測

4. gelAGE基樹脂體積打印的分辨率和結(jié)構(gòu)成型能力探究
通過打印不同形狀和尺寸的3D結(jié)構(gòu),，如S形細(xì)絲,、空心籠、金字塔和分支結(jié)構(gòu)等,，并對其進(jìn)行觀察和分析,，研究gelAGE基樹脂的體積打印分辨率和成型能力。結(jié)果表明,，該樹脂能實現(xiàn)約100μm的特征分辨率,，可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如自支撐結(jié)構(gòu),、帶尖銳邊緣的結(jié)構(gòu)和可灌注結(jié)構(gòu),，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了可能。

圖4 基于gelAGE的不同形狀3D類似物的體積打印和打印分辨率評估

5. 脂肪來源間充質(zhì)干細(xì)胞在 gelAGE 基樹脂中的打印及分化研究
將脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞（ASC）負(fù)載于gelAGE基樹脂中進(jìn)行體積生物打印,，隨后進(jìn)行成脂分化培養(yǎng),，通過活/死染色、油紅O染色和基因表達(dá)分析等方法,，研究細(xì)胞在樹脂中的存活,、分化情況。結(jié)果顯示,，打印后細(xì)胞存活率高,，培養(yǎng)14天后ASC成功分化為脂肪細(xì)胞，兩種不同濃度的gelAGE基樹脂均為成脂分化提供了有利環(huán)境,。

圖5 脂肪源性基質(zhì)細(xì)胞（ASC）的體積生物打印和隨后的脂肪形成分化

圖6. 脂肪細(xì)胞的體積生物打印

研究結(jié)論
本研究開發(fā)出一種用于體積生物打�,。╒BP）的新型 gelAGE 基光點擊樹脂,，該樹脂可構(gòu)建極軟（0.2 - 1.0 kPa）的水凝膠基質(zhì),，適用于脂肪干細(xì)胞（ASC）和分化脂肪細(xì)胞的 3D 培養(yǎng)。通過正交硫醇 - 烯點擊化學(xué)交聯(lián)策略,，能在數(shù)十秒內(nèi)高通量制備 3D 細(xì)胞負(fù)載構(gòu)建體和復(fù)雜無細(xì)胞結(jié)構(gòu),。對兩種不同濃度的 gelAGE 基配方進(jìn)行深入研究，明確了其物理化學(xué)和機械性能差異,。該樹脂為 ASC 的成脂分化提供了有利微環(huán)境,，且成功實現(xiàn)了高活力和功能良好的分化脂肪細(xì)胞的 VBP 打印。這些成果為脂肪生成的進(jìn)一步研究和構(gòu)建更復(fù)雜的脂肪組織模型奠定了基礎(chǔ),，有望拓展到其他軟組織工程領(lǐng)域,。

挑戰(zhàn)與展望
但目前可用于 VBP 的樹脂種類有限，需開發(fā)更多功能化,、高性能的樹脂以滿足不同組織工程需求,。在打印過程中,，如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)以提高打印精度和穩(wěn)定性，以及更好地控制細(xì)胞與材料的相互作用,，仍是待解決的問題,。未來，該技術(shù)有望與其他先進(jìn)技術(shù)結(jié)合,，構(gòu)建更復(fù)雜,、仿生的組織模型，推動軟組織工程的發(fā)展,。例如,，可探索其在構(gòu)建具有血管化結(jié)構(gòu)的脂肪組織方面的應(yīng)用，以實現(xiàn)更接近真實組織的功能模擬,，為臨床治療和藥物研發(fā)提供更有效的工具,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300977