东华大学张耀鹏、邵惠丽：丝素/纤维素/明胶水凝胶支架的3D打印

来源：东华大学

近年来，为了实现组织再生和器官重建，以水凝胶为原料、利用生物材料3D打印技术构建仿生组织工程支架是再生医学领域的研究热点之一。然而，如何制备与天然组织力学性能相匹配、且结构仿生程度高的水凝胶支架是当前亟待解决的难题。近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、邵惠丽教授利用3D打印技术，复合丝素/细菌纤维素纳米纤维（BCNFs）/明胶，制备了力学性能显著增强的、具有多级仿生孔结构的丝素/明胶/BCNFs凝胶组织工程支架。2019年5月相关研究成果以题为Bacterial cellulose nanofibers promote stress and fidelityof 3D-printed silk based hydrogel scaffold with hierarchical pores发表在CarbohydratePolymers。东华大学博士生黄利为论文第一作者，张耀鹏教授、范苏娜助理研究员与上海理工大学朱钰方教授为共同通讯作者。

图1.3D打印纳米纤维增强的丝素基多级孔水凝胶支架

该团队在丝素蛋白/明胶混合浆料可打印成型的条件下，通过添加细菌纤维素纳米纤维来提高打印支架的打印精度和保真度，同时获得力学性能优异的三维复合水凝胶支架，然后对水凝胶支架经过进一步的冷冻干燥处理，从而获得多具有多级孔结构的组织工程支架（图2）。

研究表明，在丝素/明胶复合水凝胶打印墨水中加入少量的BCNFs，可显著改善水凝胶支架的结构保真度，使打印水凝胶支架的力学性能从0.1MPa左右增加到1.0MPa，且在压缩应变为30%时具有良好的压缩回复性。另外，通过调整3D打印条件，并结合冷冻干燥技术，获得了同时具有不同尺度孔尺寸的仿生多级孔结构支架。其中，纳米纤维的直径为20~ 40 nm；打印支架构成线条中的微孔尺寸为10~ 20 mm；打印线条间的大孔尺寸在300~ 600 mm；宏观3D打印支架结构具有厘米尺度。这支架与天然生物组织的多尺度结构相似，因而能够为细胞生长和组织再生（图3）提供更合适的微环境，在组织工程中具有较大的应用潜能。

图2.丝素/BCNFs/明胶复合支架的制备原理示意图

该工作受到国家重点研发计划(2016YFA0201702)等项目的资助。东华大学朱美芳、杨革生、邵惠丽、山东大学曹成波、复旦大学上海浦东医院李得见、上海理工大学杜晓宇为本文共同作者。

图3. （a）RSF/Gelatin-BC复合支架的降解，（b）小鼠皮下植入实验，（c-e,c’-e’） RSF/Gelatin-BC复合支架皮下植入1、2、4周后的H&E染色图，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

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.05.080