東華大學張耀鵬、邵惠麗：絲素/纖維素/明膠水凝膠支架的3D打印

來源：東華大學

近年來，為了實現組織再生和器官重建，以水凝膠為原料、利用生物材料3D打印技術構建仿生組織工程支架是再生醫(yī)學領域的研究熱點之一。然而，如何制備與天然組織力學性能相匹配、且結構仿生程度高的水凝膠支架是當前亟待解決的難題。近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬、邵惠麗教授利用3D打印技術，復合絲素/細菌纖維素納米纖維（BCNFs）/明膠，制備了力學性能顯著增強的、具有多級仿生孔結構的絲素/明膠/BCNFs凝膠組織工程支架。2019年5月相關研究成果以題為Bacterial cellulose nanofibers promote stress and fidelityof 3D-printed silk based hydrogel scaffold with hierarchical pores發(fā)表在CarbohydratePolymers。東華大學博士生黃利為論文第一作者，張耀鵬教授、范蘇娜助理研究員與上海理工大學朱鈺方教授為共同通訊作者。

圖1.3D打印納米纖維增強的絲素基多級孔水凝膠支架

該團隊在絲素蛋白/明膠混合漿料可打印成型的條件下，通過添加細菌纖維素納米纖維來提高打印支架的打印精度和保真度，同時獲得力學性能優(yōu)異的三維復合水凝膠支架，然后對水凝膠支架經過進一步的冷凍干燥處理，從而獲得多具有多級孔結構的組織工程支架（圖2）。

研究表明，在絲素/明膠復合水凝膠打印墨水中加入少量的BCNFs，可顯著改善水凝膠支架的結構保真度，使打印水凝膠支架的力學性能從0.1MPa左右增加到1.0MPa，且在壓縮應變?yōu)?0%時具有良好的壓縮回復性。另外，通過調整3D打印條件，并結合冷凍干燥技術，獲得了同時具有不同尺度孔尺寸的仿生多級孔結構支架。其中，納米纖維的直徑為20~ 40 nm；打印支架構成線條中的微孔尺寸為10~ 20 mm；打印線條間的大孔尺寸在300~ 600 mm；宏觀3D打印支架結構具有厘米尺度。這支架與天然生物組織的多尺度結構相似，因而能夠為細胞生長和組織再生（圖3）提供更合適的微環(huán)境，在組織工程中具有較大的應用潛能。

圖2.絲素/BCNFs/明膠復合支架的制備原理示意圖

該工作受到國家重點研發(fā)計劃(2016YFA0201702)等項目的資助。東華大學朱美芳、楊革生、邵惠麗、山東大學曹成波、復旦大學上海浦東醫(yī)院李得見、上海理工大學杜曉宇為本文共同作者。

圖3. （a）RSF/Gelatin-BC復合支架的降解，（b）小鼠皮下植入實驗，（c-e,c’-e’） RSF/Gelatin-BC復合支架皮下植入1、2、4周后的H&E染色圖，比例尺（c-e）500μm，（c’-e’）50μm

L. Huang, X, Du, S.Fan*, Y. Yang, H. Shao, D. Li, C. Cao, Y. Zhu*, M. Zhu, Y. Zhang*, Carbohyd.Polym., 2019, 221, 146-156

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.05.080