《先进材料》一区期刊：自组装纳米纤维状多肽水凝胶的3D打印，推动生物医学研究

导读：3D打印已经成为生物医学研究中使用的主要制造技术之一，近年来越来越多的研究者们对水凝胶的3D打印展开了研究，以更好的复现具有高机械性能的生物组织结构。水凝胶3D打印技术面临着许多问题，因为他们的材料很软，很难在三维空间中高保真地形成图案。少数形成水凝胶的生物衍生聚合物经常被用于3D打印应用。因此，存在着对具有理想的生物特性的新型水凝胶的需求，这些水凝胶可以作为3D打印油墨使用。


2023年2月，南极熊获悉，来自莱斯大学生物工程系的研究者们建立了多域肽（MDP）的可打印性，他们的研究以《3D Printing of Self-Assembling Nanofibrous Multidomain Peptide Hydrogels》(《自组装纳米纤维状多肽水凝胶的3D打印》)为题发表在了《ADVANCED MATERIALS》期刊上，推动了水凝胶3D打印的发展。

研究背景
水凝胶的3D打印使研究人员能够使用柔软的、类似组织的材料复制生物结构。在众多3D打印方法中，基于挤压原理的3D打印技术由于其工作原理简单且易于使用而被广泛使用。 挤压式3D打印中使用的墨水主要由明胶、 海藻酸盐、 透明质酸、 胶原、 脱细胞外基质等材料组成。在保持生物特性的同时，研究人员对天然衍生的水凝胶材料进行化学改性，使其更易于打印。 但自然衍生的材料存在差异，经常需要化学改性以具有足够的机械性能，并具有预定的生物活性。

SAP是由超分子力结合组装成纳米结构的肽。这些纳米结构相互作用，产生一个宏观的水凝胶。SAP易于合成，可提纯，具有高度的设计灵活性。合成本身是模块化的，SAP的特性可以通过简单地改变其主要序列或通过加入生物活性肽序列来改变。由于SAP仅由氨基酸构件组成，它们的化学和降解产物对生物无害，这是由其他聚合物制成的水凝胶所没有的。因此，SAP提供了合成水凝胶材料的灵活性，同时也保持了天然衍生材料的生物相容性。

研究内容
在这项工作中，研究者们提出了多域肽（MDP）的3D打印，他们在一定的生理pH值和离子强度下形成纳米纤维水凝胶。MDP具有交替的疏水和亲水氨基酸的一般结构，两侧是带电的残基。反离子对带电氨基酸的屏蔽导致了 "疏水夹层 "的产生，β-片状纤维化，并在适当的浓度下迅速凝胶化为纳米纤维水凝胶。MDP已被证明在体内植入时可促进血管化、神经支配和高水平的细胞浸润，并已被用于神经再生，癌症治疗，和疫苗输送。不同电荷和化学功能的MDP已被发现在体内引起不同的免疫反应，因此用于特定应用的MDP可能会根据所需用途而变化。为了扩大MDP的能力，研究人员还介绍了阴离子和阳离子MDP的3D打印评估、优化和体外表征。


△选择MDP做为打印材料，用多种MDP墨水进行3D打印优化，以及打印难度增加的构造（包括多材料打印）。最后，用带相反电荷的MDP墨水来创建3D结构，并观察不同的体外特性。

研究结论


△MDP 3D打印优化和打印结构

在这项研究中，研究人员将MDP确立为一类新的可3D打印的水凝胶。在对其超分子组装进行表征后，MDP被证明拥有必要的流变特性，可用于挤压式3D打印。然后进行了打印优化，并利用它来创造复杂的悬空结构和多材料打印。这项工作代表了极少数涉及SAP的3D打印论文之一，并超越了以前完成的打印复杂性水平。此外，阳离子和阴离子MDP构造的体外表征显示了细胞形态的电荷依赖性差异和电荷无关的高细胞活力。应进一步研究扩大MDP的打印数量，提高打印分辨率，并探索战略性地使用MDP电荷来调节细胞行为。总的来说，MDP是一类有前途的新的3D打印油墨，它是独特的基于肽的，完全依靠超分子机制进行组装。