载细胞的活性导电水凝胶结构3D打印方法研究

供稿人:王宇涛 贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

生物3D打印技术由于具有构建仿生组织结构的潜力，受到了来自各国专家学者和相关研究人员的广泛关注。生物打印技术制造的仿生结构可广泛应用于生物医学领域，如药物筛选和再生医学等方面。理想情况下，用于3D生物打印的生物材料应与天然组织的机械性能、流变性能以及生物电学性能及相匹配。但是，目前用于生物3D打印的具备一定导电性能的墨水材料研究还比较有限，相应的材料体系和打印方法还有待开发。

Andrew R.等研究人员利用生物性能良好的光固化明胶（GelMA）和导电聚合物聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）合成了可用于浸没式生物打印的导电水凝胶。

该导电水凝胶通过PEDOT：PSS与二价钙离子的第一步交联以及可见光对GelMA的第二步交联（光聚合）来合成。通过改变材料体系内组分的含量可动态调节水凝胶的机械性能（杨氏模量约为40-150 kPa），改变PEDOT：PSS的浓度可实现电导率的动态调节，如图1所示。

图1.导电生物墨水（GelMA / PEDOT：PSS）的合成以及物理和微观结构的表征

研究人员通过优化打印工艺制造了具备复杂图案的3D载细胞结构，细胞实验的结果显示与非导电的水凝胶相比，封装在导电水凝胶内C2C12细胞的显示出很高的细胞活性（>95%）和细胞铺展性，如图2所示。另外，动物实验也表明与对照组相比导电水凝胶植入物在动物体内降解时没有实质性的炎症反应且基本降解完全。

图2.使用导电生物墨水对复杂结构进行3D生物打印及细胞活性及铺展性表征

这项研究提出了一种生物相容性良好的导电墨水的开发及打印方法，可用于复杂的载细胞结构的3D生物打印。该生物墨水在体外和体内均表现出可调的物理性质（机械刚度和电导率）和高度的生物相容性。浸没式打印工艺下，制造精度可高达120μm。虽未观察到细胞定向排列的情况，但导电聚合物（PEDOT：PSS）的添加明显改善了水凝胶的电导率和打印保真度，同时保持了封装在3D结构中的细胞的高生存能力。相信随着材料技术和打印技术的进一步发展，导电水凝胶的生物打印策略可为肌肉和心肌组织工程所面临的的问题提供更好的解决思路。

参考文献：
Spencer, Andrew R.; Sani, Ehsan Shirzaei; Soucy, Jonathan R. Bioprinting of a Cell-Laden Conductive Hydrogel Composite. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 30518-30533