纯丝蛋白可作为体积增材制造生物墨水

来源： GK绿钥生物科技

相较于传统的逐层式打印方式，体积增材制造（Volumetric Additive Manufacturing，VAM）通过旋转投影动态变化的光图案实现三维物体的快速光聚合。然而，生物墨水的缺乏是限制VAM在生物医学领域应用的关键问题。为解决这一瓶颈，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授团队开发了未经改性的纯丝蛋白（包括丝胶蛋白（silk sericin，SS）和丝素蛋白（silk fibroin，SF））（生物）墨水用于VAM（生物）打印。相关工作以“Volumetric Additive Manufacturing of Pristine Silk-Based (Bio)inks”为题发表在《Nature Communications》上。通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授。文章第一作者为广州医科大学谢茂彬教授，论文共同第一作者为哈佛医学院连黎明（现为佐治亚理工大学在读博士）。

作者通过VAM打印的SS结构展示了可逆且可重复的收缩、膨胀或形状记忆特性；而VAM打印的SF结构则表现出可大范围调控的机械性能特性，机械强度范围可从几百Pa调控至几百MPa。这两种纯丝蛋白（生物）墨水均展现出良好的细胞相容性。该研究工作扩展了VAM的（生物）墨水库，进一步拓宽了其生物医学应用范围。

1. SS和SF（生物）墨水在低浓度下展现优异的VAM打印性能
研究人员从天然蚕丝纤维中分别提取SS和SF两种成分，并利用SS和SF分子侧链上的酪氨酸基团能与RU/SPS光引发剂复合物在一定条件下发生光聚合反应机理，分别制备了SS和SF两种（生物）墨水（图1）。在接下来的打印性测试中，研究人员发现SS和SF均可在低浓度下（2.5%）实现快速VAM打印，并展现出打印多种复杂结构的优良打印性能（图2）。

图1. SS和SF（生物）墨水制备和光交联机理

图2. SS和SF（生物）墨水VAM打印性测试

2. VAM打印SS结构的分辨率可达50 μm

随后，在VAM打印分辨率测试中，研究人员利用VAM分别打印了多种具有细微结构特征的实心和空心结构（图3）。发现VAM打印SS结构的最小分辨率可以达到45.9 μm，而VAM打印SF结构的最小分辨率是57 μm。VAM打印分辨率受多种因素影响，包括结构、光强、时间和生物墨水种类及浓度等。其中，入射光的穿透深度是关键因素之一。高浓度Ru引发剂会显著降低入射光的穿透深度，从而影响VAM打印分辨率。

图3 VAM打印SS和SF结构的分辨率测试

3. VAM打印的SS和SF结构具有可调控的机械性能特性
通过后处理方法，VAM打印的SS结构展示了可逆且可重复的收缩、膨胀或形状记忆特性；而SF结构则表现出可大范围调控的机械性能特性，压缩模量范围可从几百Pa调控至几百MPa。这主要是因为SF内部双交联网络（酪氨酸双键和beta折叠）的形成（图4）。

图4 VAM打印SS和SF结构的理化性能表征

4. SS和SF生物墨水都具展现了良好的细胞相容性
在一定的细胞密度内，活细胞的加入并不会显著影响SS和SF的打印性。此外，VAM生物打印的SS和SF结构中，包裹的细胞在14天的体外培养中都保持了较高的存活率和细胞代谢活力。在VAM生物打印的SS结构中，C2C12细胞展现出了比在SF结构中更明显的展开行为（图5）。

图5 VAM生物打印SS和SF细胞兼容性测试

5. VAM生物打印SF骨螺钉概念应用
最后，研究人员展示了VAM生物打印SF骨螺钉的概念应用前景（图6）。首先利用VAM生物打印了SF骨螺钉，再将人骨髓间充质干细胞（MSCs）孵育在SF骨螺钉表面。在后续的体外培养中，MSCs能够较好地粘附在SF骨螺钉表面并快速增殖，并且在14天的体外培养期间持续表达成骨相关基因。此外，通过后处理方法使SF骨螺钉形成双交联网络，大幅提高其机械强度，并在体外猪骨植入实验中验证了其作为可植入医疗器件的可行性。

图6 VAM生物打印SF骨螺钉应用展示

总结：研究人员成功开发了天然、未改性的SS和SF（生物）墨水用于VAM（生物）3D打印。这两种（生物）墨水在低浓度（2.5%）下展现出优异的打印性能，能够打印复杂结构。其中，SS打印物的收缩和再膨胀特性是可逆的，表明其在形状记忆材料、4D印刷、软机器人和药物输送等领域具有潜力。通过进一步的后处理引发双交联网络结构，VAM打印的SF无细胞结构的压缩模量可从几百Pa调控至约250 MPa。此外，SS和SF均表现出良好的细胞相容性。这项工作丰富了VAM的（生物）墨水库。