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美国佛罗里达大学黄勇教授团队:基于明胶微凝胶复合墨水的自支撑3D生物打印
发布:blast_k   时间:2020/5/19 15:22:26   阅读:123 
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组织或器官移植是一种逐渐被普遍接受的治疗病人病变或失效的组织/器官的方法。为了满足对器官和组织的巨大需求,关于制造定制化的人造组织或细胞负载支架的相关研究引起了社会各界的广泛关注。理想的细胞负载支架应该由活细胞和细胞外基质(ECM)材料制成;ECM材料通常以水凝胶的形式存在,为周围细胞提供结构和生化支持。明胶是一种从胶原蛋白中提取的水溶性蛋白质,因为它具有良好的热稳定性、酶交联性和生物降解性,是一种理想的生物工程材料。然而由于明胶的低粘度和可打印性不足以直接用来3D打印,因此我们需要在明胶或者明胶基生物材料的基础上进行改进,使其可打印性得以提高。最近,美国佛罗里达大学机械与航空工程系黄勇教授(Yong Huang)团队的宋凯东博士生(Kaidong Song) (西北工业大学本科)和同事利用(类)固态/(类)液态微凝胶颗粒(Jammed/unjammed microgels)在不同应力条件下所独有的凝胶(gel)-溶胶(sol)转变特性开发出了一种基于(类)固态微凝胶的明胶微凝胶基复合生物墨水自支撑3D悬空打印方法。

该复合生物墨水由连续相的明胶和转谷氨酰胺酶(transglutaminase)液体以及离散相的明胶微凝胶颗粒组成,在明胶微凝胶基复合生物墨水中,微凝胶颗粒被紧密地包裹在一起,并受到周围微凝胶的物理作用的限制,导致制备所得的生物墨水在宏观层面上表现出类似固体的特征。只有当施加的应力超过临界屈服应力时,生物墨水的这种类似固体的特征才会被打破从而转变为类似液体的状态。当施加的应力低于临界屈服应力时,明胶复合体系恢复并表现为类似固体状态。该明胶微凝胶系统关于应力的流动和恢复的响应满足三维生物打印的墨水要求。与传统“边打印边交联”(cross-linking-while-printing)的3D打印思路不同,由于明胶微凝胶颗粒赋予明胶复合生物墨水屈服应力特性,因此合成的复合生物墨水可以在空气中直接打印成一个稳定的三维结构,而不需要现场快速不可逆固化过程。打印的结构在一定时间后,基于转谷氨酰胺酶的明胶溶液的化学交联使交联的连续明胶相将凝胶微颗粒锁定在整个打印结构中。由于完全的化学交联发生在打印完成后,它促进了各打印层之间更好的融合,缓解了可能存在界面的缺点。此外,用转谷氨酰胺酶作为化学交联剂可避免传统的紫外线交联甲基丙烯酸凝胶(GelMA)所带来的潜在的细胞损伤和相关的受损组织形成。

自支撑3D悬空打印方法的机理:

如下图所示,采用的明胶微凝胶基复合生物墨水具有独特的凝胶-溶胶转变特点:当所受应力高于其屈服应力时,复合生物墨水表现出剪切变稀的溶胶特性,反之,则表现出凝胶的特征。同时,该材料的凝胶-溶胶转变时间极短(~ 0.2秒),可以有效保证打印后的液体结构迅速具备足够的机械强度以支撑后续打印的结构。


图a-c为明胶微凝胶基复合生物墨水的直接打印原理图。(所有示意图请查阅全文)

明胶微凝胶基复合生物墨水的形态和流变性能分析:

如下图所示,明胶微凝胶基复合生物墨水由明胶连续相液体和明胶微凝胶离散相颗粒为主组成,其屈服应力的存在以及剪切变稀性质使其适用于3D悬空打印。


图a-1和a-2为明胶微凝胶颗粒以及复合生物墨水打印轨迹的形态,图b和c为明胶微凝胶基复合生物墨水的流变性能分析(所有示意图请查阅全文)


明胶微凝胶基复合生物墨水的自支撑复杂结构3D悬空打印:

下图列出利用明胶微凝胶基复合生物墨水悬空打印机理制造的一些3D结构:


基于明胶微凝胶基复合生物墨水悬空打印的3D结构: 图a和b为耳朵,图c和d为鼻子 (所有示意图请查阅全文)


明胶微凝胶基复合生物墨水的生物和机械性能分析:

如下图所示,明胶微凝胶基复合生物墨水具有很好的生物相容性以及与人体器官相类似的强度。


图a-c为明胶微凝胶基复合生物墨水的生物性能分析,图d为明胶微凝胶基复合生物墨水的机械性能分析(所有示意图请查阅全文)


文章信息: Song, K., Compaan, A., Chai, W., and Huang, Y., "Injectable Gelatin Microgel-Based Composite Ink for 3D Bioprinting in Air," ACS Applied Materials & Interfaces
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01497

来源:高分子科技

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