丝素蛋白水凝胶支架4D打印在组织工程中的应用

3D打印科研前沿
2021
09/15
10:41
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供稿人:曹阳 导师:田小永
供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

组织工程是将种子细胞,支架材料和生物活性因子通过有效方法结合,在体外或体内构建组织或器官的新兴学科。丝素蛋白作为一种天然材料,可被加工成水凝胶、纳米纤维、多孔支架等不同形态,其具有良好的力学性能、生物相容性和可调降解速率,降解产物无毒无害,得到了科研人员的广泛研究。采用形状记忆材料通过4D打印成型复杂结构,在植入体内后自动变形为支架结构,可极大程度降低治疗过程中病患所受痛苦。2020年韩国翰林大学开展了一项研究,采用丝素蛋白水凝胶4D生物打印制备了气管支架,动物实验表明该支架能够较好的与宿主器官整合在一起,在缓慢降解的过程中诱导组织和软骨生长,具有较大的临床应用价值。

研究人员从兔耳软骨中分离出软骨细胞,在培养基中培养三周后,采用特制的光固化生物墨水(甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白,Sli-MA)通过4D DLP技术打印制备了实验所需气管支架。下图比较了4D DLP打印与普通DLP打印的区别与优势。

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图1 普通DLP打印与4D DLP打印性能对比 (a)DLP打印过程示意图,(b)4D DLP打印技术主要优势:可同时打印具有两种或以上材料类型的曲面结构,(c)4D DLP打印速度相较普通DLP打印而言更快。

打印完成后,研究人员对支架变形效果进行了测试。试验表明,支架在浸入溶液后,能够在60分钟内缓慢完成变形为预设形状,通过控制溶液的盐离子浓度可以改变支架弯曲的曲率。随后研究人员对支架进行了为期两周的体外模拟培育试验,结果如图2所示,大量软骨细胞和胶原蛋白附着在支架表面,说明支架对相关组织和细胞能够起到较好的生长诱导作用。最终,研究人员采用试验用白兔完成了支架的气管内移植,证明了支架对气管康复具有明显促进作用。下图为支架体外培育实验结果图。

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图2 支架体外模拟培育实验(上下分别为1周、2周时细胞组织的生长情况,通过染色观察得知,随培养时间的延长,软骨细胞和胶原蛋白区域显著增加)
综合目前研究来看,丝素蛋白水凝胶材料在组织工程临床应用中前景广阔,通过4D打印成型个性化精细结构,能满足各类患者人群的需求,实现医疗定制化。将两者结合,采用生物降解材料打印完整支架并移植入病患位置,能够有效解决疾病或其他因素导致的组织缺损问题,为较大范围组织缺损和损伤提供了新思路,具有重要意义。

参考文献:
Kim S H, Seo Y B, Yeon Y K, et al. 4D-bioprinted silk hydrogels for tissue engineering[J]. Biomaterials, 2020,260:120281.


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