韩国科学技术研究院研发用于3D打印人工器官的安全生物墨水，加速组织再生

2023年4月16日，南极熊获悉，韩国科学技术研究院的一支研究团队开发了一种聚（有机磷腈）水凝胶基温敏生物墨水，该墨水可以用于3D生物打印，无需光固化即可诱导组织再生。

韩国科学技术研究院已发表用于人工器官打印的安全生物墨水，研究结果已被发表在材料领域国际学术期刊Small的最新一期，并作为内封底刊登（传送门）

技术背景

随着意外伤害和慢性病的增加，以及人口老龄化趋势的加剧，生物材料的研发和应用在人造器官和组织领域越来越活跃。3D生物打印技术利用细胞和生物材料构建三维人造组织结构，最近备受关注。然而，常用的水凝胶生物墨水通常需要使用化学交联剂和紫外线进行光固化，这可能会引起细胞毒性。

这是TNC生物墨水系统和骨组织工程应用的示意图。A）TNC生物墨水表现出热响应凝胶化行为，并通过疏水离子相互作用保持生长因子。在低于凝胶化温度（T0=20-24℃）时，可以轻松地通过简单混合将其掺入。B）在25℃打印后，生物墨水变硬，具有最佳特性，体温（37℃）下表现出最佳的生物相容性。C）将TNC生物墨水支架植入大鼠颅骨缺损模型中，刺激细胞迁移和成骨以促进骨愈合，并且不会出现异常骨形成。缓慢的支架降解为新形成的骨组织让路

韩国科学技术研究院生物材料中心的宋秀昌博士领导的研究团队，首次开发了一种聚（有机磷腈）水凝胶基温敏生物墨水。这种墨水通过温度控制可以稳定保持其物理结构，无需光固化，可以诱导组织再生，并经过一定时间后在体内生物降解。

TNC生物墨水在25℃下具有良好的印刷适应性，在PBS中可保持至少30天的结构稳定性。结果显示，TNC生物墨水的性能表现优于TR生物墨水

结果与讨论

研究团队发现目前常用的水凝胶生物墨水需要经过光固化过程来增强打印后的3D支架的机械性能，但这个过程可能对人体产生不良影响。此外，将外部培养的细胞移植到生物墨水中也可能会产生副作用。因此，他们使用温度敏感的聚（有机磷腈）水凝胶开发了一种新的生物墨水材料，该材料在低温下呈液体形式，在体温下变为硬凝胶，从而实现了仅通过温度控制即可再生组织，而无需使用化学交联剂或紫外线照射。最终，研究团队成功制造出具有物理稳定结构的3D支架。

这款研发出的生物墨水具备可与生长因子相互作用的分子结构，而生长因子则是有助于组织再生的蛋白质，在长时间内可持续调节细胞生长、分化和免疫反应。研究团队通过创建一个环境，在使用生物墨水打印的3D支架内，实现细胞分化的自主调节，以最大程度地促进组织再生效果。

TNC-BT生物墨水能够加速体内骨组织再生

该研究小组使用含有细胞浸润和骨再生所需的转化生长因子β1（TGF-β1）和骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的生物墨水，通过3D生物打印机制造了3D支架，并将其植入大鼠受损的骨骼进行实验。结果显示，来自周围组织的细胞迁移到支架中，缺损的骨骼再生到了正常组织的水平。植入的3D支架在42天内在体内缓慢生物降解。

KIST的宋秀昌博士表示：“我们的研究团队已经在2022年6月将热敏聚磷腈水凝胶技术转让给了NexGel Biotech Co.，该公司正在推进骨移植材料和美容填充剂等产品的开发。” 他还表示：“由于开发出的这种生物墨水具有不同的物理特性，我们计划将其用于骨组织以外的其他组织再生，并希望最终能够将针对每个组织和器官量身定制的生物墨水商业化。”

KIST成立于1966年，是韩国第一家政府资助的研究机构，目前致力于通过领先的创新研究解决国家和社会面临的挑战，推动经济增长。