哈佛大学医学院:3D打印多孔GelMA水凝胶

来源： EFL生物3D打印与生物制造

因与细胞外基质结构的相似性，可注射水凝胶在组织再生中展现了巨大的潜力。传统的可注射水凝胶用作组织缺损填充物时，所形成的块状凝胶高分子网络较为致密，通常仅含有纳米级别孔，这限制了所包载细胞的生长空间及营养传输。此外，过于致密的凝胶网络结构也不利于机体组织的融合。因此，构建从微观到宏观的多孔水凝胶对组织工程应用具有重大意义。

近期，哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授课题组于Advanced Functional Materials杂志上发表了题为“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Propertie”的研究成果，提出了将活细胞封装在以甲基丙烯酰明胶(GelMA)为基础的多孔生物墨水中，通过挤出生物3D打印技术制造宏-微-纳米多孔水凝胶支架，然后将图案化的水凝胶支架注射到组织缺损部位进行修复。结果表明，这种独特的3D打印的多孔凝胶结构在微创组织再生和细胞治疗领域具有广阔的应用前景。

首先，介绍了载细胞的具有微-纳米多孔的水凝胶支架的制造过程。室温下以最佳体积比混合含有细胞的GelMA预凝胶溶液与PEO溶液制备双水相生物墨水，利用挤出生物3D打印技术打印所需载细胞水凝胶结构，光交联后使用商业的经皮针在体外或体内注射。微米孔：GelMA水凝胶网络所包含的孔；微米孔：将支架浸泡在PBS中去除GelMA相中的PEO以产生相互连接的微孔宏观孔：直接3D挤出生物打印肉眼可见的孔。

图1 3D生物打印水两相生物墨水构建多级孔水凝胶结构原理图

其次，对水凝胶结构进行表征，展示了不同配方水两相生物墨水的打印及微观结构，并指出通过调整PEO体积分数和混合时间调节孔隙率；通过微-纳米多孔水凝胶结构的可逆性测试证明微孔水凝胶结构具有允许微创注射的潜力（图2）。

图2 3D生物多级孔水凝胶结构的表征

接着，验证了多级孔水凝胶结构的压缩性和可注射性。标准水凝胶结构在压缩及注射后不能恢复且不能保持结构完整性（动画1，2），而微-纳米孔水凝胶结构在应变水平上不受机械压缩的影响（图3）。采用14G针将不同模式的微孔水凝胶结构体注射到猪组织缺陷中，证明了3D打印微-纳米孔水凝胶在体外的可注射性和形状记忆特性（图4，动画2，3，4）。

图3 3D生物打印微-纳米多孔水凝胶结构的形状记忆性能评价

图4 3D生物打印微-纳米多孔水凝胶结构的可注射性测试

最后，对水凝胶结构进行了体内外生物学评估，一方面证明微-纳米多孔水凝胶经过机械压缩或注射过程后，对hMSCs的生存、增殖和扩散能力以及hMSC成脂、成骨能力并没有影响（图5）；另一方面，3D打印的水凝胶结构可以有效地填补组织的缺损，标准水凝胶会限制组织浸润，而多孔水凝胶中相互连通微孔结构为组织的生长提供了足够的空间，易与组织融合，促进修复（图6）。

图5 压缩和注射后水凝胶结构的hMSC存活和增殖能力的评价

图6 hMSC在3D生物打印多孔水凝胶结构的分化能力

3D生物打印提供了一个通用的平台提供定制化水凝胶结构，有效匹配缺陷部位。相互连接的微孔不仅使得所构建的水凝胶在压缩后和注入后均保持了原有的结构和功能特征，而且还允许hMSC增殖、迁移和分化。此外，具有形状记忆特性的可注射水凝胶具有可生物降解性，有利于组织融合。因此，这类可注射3D生物打印载细胞多孔水凝胶，是一种有前途的微创注射和伤口修复的载体。

文章来源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740