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(luò)生物墨水！

導(dǎo)讀：近年來，3D打印在構(gòu)建復(fù)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(guān)注。然而，在3D打印的擠出過程中，提供一種對(duì)細(xì)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(xué)要求，又需要為封裝細(xì)胞提供理想的環(huán)境。目前的生物墨水研發(fā)仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

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

杭州電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用循環(huán)加熱冷卻法制備的半互穿網(wǎng)絡(luò)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(xì)胞損傷。打印后的細(xì)胞活力提高了15%以上，驗(yàn)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(jìn)了細(xì)胞的均勻分布和細(xì)胞在簇中的增殖。本研究揭示了半互穿網(wǎng)絡(luò)生物墨水的分子參數(shù)對(duì)打印性能的影響，并對(duì)細(xì)胞活性進(jìn)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(gòu)建模擬的細(xì)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(duì)生物墨水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能測(cè)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(cè)試如下圖們所示。


△能夠產(chǎn)生高度生物活性和精密結(jié)構(gòu)的方法



△循環(huán)反復(fù)加熱/冷卻后生物墨水的FTIR分析



△生物墨水的相對(duì)分子質(zhì)量和流變學(xué)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(jī)理示意圖。


△由生物墨水打印的支架物理特性

由于細(xì)胞活性直接影響支架細(xì)胞的增殖、分化和蛋白表達(dá)能力，因此研究細(xì)胞在打印過程中和打印后對(duì)細(xì)胞存活的影響是很重要的。為了確定生物墨水對(duì)細(xì)胞行為的影響，研究人員分析了細(xì)胞分布、細(xì)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(xì)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(duì)分子質(zhì)量變小，促進(jìn)了細(xì)胞的均勻分布；這種半互穿網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)為細(xì)胞增殖提供了空間。


△研究細(xì)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(xì)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(luò)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(zhǎng)分子鏈的長(zhǎng)度和柔性實(shí)現(xiàn)了分子鏈的重組和重構(gòu)。分子水平的變化改變了生物墨水的物理化學(xué)性質(zhì)。這項(xiàng)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(xì)胞的存活率和細(xì)胞分布，而且促進(jìn)了細(xì)胞的增殖。

▪從材料的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，指導(dǎo)立體細(xì)胞打印，對(duì)3D打印具有重要意義。盡管生物墨水提高了打印精度和細(xì)胞活性，但細(xì)胞分化、蛋白質(zhì)表達(dá)和軟骨修復(fù)仍需進(jìn)一步研究。

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

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