基于GelMA双层网络载细胞混合打印软组织移植物

来源： EngineeringForLife

当前再生治疗中，软组织缺损仍然是无法攻克的难题。因为软组织缺损的大小，形状和组织组成不尽相同，所以没有单一的解决方案能够重建具有相同体积和机械特性的替代组织。当前的临床技术用天然材料（例如游离的脂肪组织移植物和自体真皮脂肪皮瓣）和合成材料（例如可商购的有机硅植入物）做为暂时解决方案。然而由于形状保持效率低下和美学效果无法预测，以上临床治疗导致患者满意度低，因此必须采取更强有力的策略来修复软组织缺损。

基于挤出的3D打印以天然组织的特征为参照，通过以有组织的逐层方式精确放置细胞和基质材料，从而在定制形状的软组织等效物的制造中加以利用。尽管此制造方法有利，但将该技术应用于软组织工程时，存在常见的材料问题。例如，各种天然衍生的聚合物（例如胶原蛋白/明胶，藻酸盐，纤维蛋白和透明质酸）可打印性好，且供体部位的发病率和免疫反应小，但在体内会迅速变形和塌陷。相反，合成的聚己内酯和聚（D，L）-丙交酯等聚合物与天然软组织具有机械失配，不存在用于细胞附着的表面配体，并且降解产物对细胞的代谢和增殖产生负面影响。尽管生物墨水配方取得了进步，但没有任何一种墨水能够模仿软组织，并且具有长期的形状和尺寸保持，机械稳定性以及主体整合能力。

图1 打印墨水和混合支架示意图

为了解决这些局限性，近期，马里兰大学John P. Fisher团队发表在期刊“Advanced Functional Materials”题为“Hybrid 3D Printing of Synthetic and Cell-Laden Bioinks for Shape Retaining Soft Tissue Grafts”的研究成果提出了一种新颖的双重生物墨水3D打印策略。该策略利用不可降解和可生物降解水凝胶的优势来创造具有长期形状和体积保留的仿生构造（图1）。该团队设计了两种墨水：与天然衍生和物理交联的藻酸盐共价连接的聚乙二醇（PEG）的双网络（DN），以及甲基丙烯酸明胶（GelMA）的可生物降解的充满细胞的生物油墨。DN墨水可提供必要的强大物理支持，以保持长期的移植物体积和结构，而可降解的生物墨水提供刺激组织再生所必需的生物环境（图1A）。这种打印方法可以精确地沉积水凝胶纤维，在功能上可以相互补充，并可以构建复杂的几何形状，例如鼻子，耳朵和甲状腺软骨（图1B）。

图2 溶胀特性

图3 不同打印形式的机械性能测试

图4 复杂形状保真度

此外，开发了一种利用CloudCompare软件的新形状分析技术，该技术扩展了用于评估支架美学特性的可用工具箱。借助这种动态3D生物打印策略，可以通过更改不可降解与牺牲链的打印比例来轻松调制具有坚固内部结构的复杂几何形状。这种混合打印制造平台的多功能性可以激发未来多材料再生植入物的设计。

图5 点云彩色图比较

论文地址：
https://doi.org/10.1002/adfm.201907145.