通过循环加热冷却法，研发3D生物打印用半互穿网络生物墨水！

导读：近年来，3D打印在构建复杂的三维生理微环境方面的发展引起了人们的极大关注。然而，在3D打印的挤出过程中，提供一种对细胞无害、模具精度高的生物墨水是非常具有挑战性的。生物墨水既需要满足打印的物理化学要求，又需要为封装细胞提供理想的环境。目前的生物墨水研发仍是一个不小的挑战。

2022年4月，南极熊获悉，杭州电子科技大学的研究者们，开发了一种提高半互穿网络生物墨水剪切变稀性能的技术，该技术普遍适用于海藻酸盐/明胶材料。让我们看看他们的研究内容和研究成果吧！

杭州电子科技大学的研究团队采用循环加热冷却法制备的半互穿网络生物墨水具有优良的剪切变稀性能，在不牺牲支架精度的前提下，可减少细胞损伤。打印后的细胞活力提高了15%以上，验证了制备此种材料的可行性。此外，低分子量、宽分子量分布的生物墨水也促进了细胞的均匀分布和细胞在簇中的增殖。本研究揭示了半互穿网络生物墨水的分子参数对打印性能的影响，并对细胞活性进行了研究，证明了它可以广泛适用于用各种生物墨水，从而构建模拟的细胞外基质。

研究小组通过循环加热冷却法制备了生物墨水，并对生物墨水进行实验性能测定。生物墨水的光谱分析、流变性、打印后支架后的物理性能测试如下图们所示。


△能够产生高度生物活性和精密结构的方法



△循环反复加热/冷却后生物墨水的FTIR分析



△生物墨水的相对分子质量和流变学特性。(A)SA/G-A、SA/G-B和SA/G-C的分子量分布；(B)凝胶-溶胶的相变温度；(C)粘度-剪切速率图；(D)生物油墨的触变性；(E)剪切变稀机理示意图。


△由生物墨水打印的支架物理特性

由于细胞活性直接影响支架细胞的增殖、分化和蛋白表达能力，因此研究细胞在打印过程中和打印后对细胞存活的影响是很重要的。为了确定生物墨水对细胞行为的影响，研究人员分析了细胞分布、细胞存活和迁移的情况。研究人员还研究了所研制的墨水的细胞相容性等特性。通过分析，可知通过循环加热-冷却处理能够制备分子量分布较宽的SA/G-C生物墨水。并且这种生物墨水的相对分子质量变小，促进了细胞的均匀分布；这种半互穿网络生物墨水具有更高的剪切敏感性，可以减少挤压过程造成的破坏，其相互连接的多孔结构为细胞增殖提供了空间。


△研究细胞存活的影响

为了提高挤压生物3D打印后的打印精度和细胞存活率，研究人员提出了一种高剪切敏感度的半互穿网络生物油墨的研制方法，通过控制加热-冷却循环次数和改变长分子链的长度和柔性实现了分子链的重组和重构。分子水平的变化改变了生物墨水的物理化学性质。这项研究的意义如下：

▪通过该方法制备了高剪切变稀生物墨水，不仅提高了细胞的存活率和细胞分布，而且促进了细胞的增殖。

▪从材料的分子结构出发，指导立体细胞打印，对3D打印具有重要意义。尽管生物墨水提高了打印精度和细胞活性，但细胞分化、蛋白质表达和软骨修复仍需进一步研究。

▪此外，本研究所采用的方法和原理对基于挤出的三维生物打印聚合物的研究具有指导意义，有利于组织再生的发展。

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