摘要
南洋理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種雙重?zé)犴憫?yīng)和可光交聯(lián)生物墨水，包括甲基丙烯酸明膠（GelMA）和甲基纖維素（MC）或甲基丙烯酸甲基纖維素（MCMA）。這種生物墨水既可用作直接擠出生物墨水，也可用作嵌入式生物打印的支撐槽，成功擴(kuò)展了生理溫度下直接和嵌入式生物打印能力。
研究背景
人體組織和器官是嵌入三維（3D）細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中的各種細(xì)胞類型的分層復(fù)雜組裝體。3D生物打印是一種生產(chǎn)載有3D細(xì)胞的結(jié)構(gòu)的有前途的策略，能夠制造與目標(biāo)組織的天然生理學(xué)高度相似的仿生微環(huán)境生態(tài)位。生物打印窗口與可打印性和生物相容性之間的平衡有關(guān)。生物墨水的直接擠出打印并在永久交聯(lián)之前同時(shí)保持良好的形狀保真度并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。成功的生物墨水可打印性受多種因素控制，并與材料特性（例如流變學(xué)和凝膠化機(jī)制）和加工條件（例如溫度）密切相關(guān)。
通常，較高的聚合物濃度和粘度可實(shí)現(xiàn)卓越的結(jié)構(gòu)保真度，但會(huì)犧牲理想的泡孔行為。此外，在擠壓過程中暴露于高剪切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞活力低下。提高溫度可以降低許多生物墨水配方中的粘度，從而減少剪切應(yīng)力并提高細(xì)胞活力，但通常會(huì)影響打印適性。相比之下，較低的溫度可以通過增加粘度來幫助印刷適性。由于生物材料固有的特性和實(shí)驗(yàn)簡單性，生物墨水通常在室溫（RT）（20-25°C）而不是生理溫度（PT）（37°C）下進(jìn)行生物3D打印。然而，顯著的溫差和隨后的剪切應(yīng)力變化以及生物打印時(shí)間的延長可能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
研究成果
南洋理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種雙重?zé)犴憫?yīng)和可光交聯(lián)生物墨水，包括甲基丙烯酸明膠（GelMA）和甲基纖維素（MC）或甲基丙烯酸甲基纖維素（MCMA）。這種生物墨水既可用作直接擠出生物墨水，也可用作嵌入式生物打印的支撐槽。
圖1. 示意圖描述了雙照片和熱可交聯(lián)生物墨水，旨在用于 PT 和 RT 的直接擠出，并用作 PT 嵌入式 3D 生物打印的支撐浴。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析
水凝膠表征
圖2. 所有開發(fā)的水凝膠的水凝膠表征。（a） 具有不同交聯(lián)策略的制備水凝膠的壓縮模量...（詳細(xì)說明見原文圖注）
流變學(xué)與直接擠出打印
圖3. 所有樣品的流變學(xué)和直接擠出打印。（a） 顯示熱響應(yīng)特性的溫度掃描...（詳細(xì)說明見原文圖注）
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)控GelMA與MC/MCMA的比例，可以精確控制生物墨水的流變學(xué)特性和交聯(lián)行為。在生理溫度下，該生物墨水表現(xiàn)出優(yōu)異的剪切稀化特性和快速的自修復(fù)能力，能夠在保持高細(xì)胞活力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確打印。
光交聯(lián)與熱交聯(lián)的協(xié)同作用不僅增強(qiáng)了水凝膠的力學(xué)性能，還提供了良好的生物相容性和可控的降解速率，為組織工程應(yīng)用提供了理想的微環(huán)境。
嵌入式生物打印應(yīng)用
支撐浴特性
圖4. MC8/GelMA 和 MCMA8/GelMA 用作 PT 嵌入式打印的支撐槽。（a） 應(yīng)力掃描...（詳細(xì)說明見原文圖注）
細(xì)胞活力與形態(tài)
圖5. 所有生物墨水的直接 3D 生物打印。（a） 在 RT 和 PT 下孵育 6 小時(shí)的澆鑄水凝膠的細(xì)胞活力...（詳細(xì)說明見原文圖注）
復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)打印
圖6. 利用該生物墨水打印的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)，包括可灌注血管網(wǎng)絡(luò)和多層細(xì)胞構(gòu)建體...（詳細(xì)說明見原文圖注）
作為支撐浴，生物墨水可以通過嵌入式生物打印在PT制造復(fù)雜的載細(xì)胞結(jié)構(gòu)，允許各種細(xì)胞類型和可灌注通道的空間模式，支撐浴充當(dāng)基質(zhì)以提供長期支持和細(xì)胞儲(chǔ)存庫。
通過這種方法，研究團(tuán)隊(duì)成功打印了具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組織模型，包括血管網(wǎng)絡(luò)和多層細(xì)胞構(gòu)建體，為藥物篩選和疾病模型研究提供了有力工具。
結(jié)論與展望
基于GelMA、MC和MCMA開發(fā)的雙重?zé)犴憫?yīng)和可光交聯(lián)生物墨水，成功擴(kuò)展了PT下直接和嵌入式生物打印能力。該生物墨水具有可調(diào)特性和自修復(fù)能力，支持復(fù)雜組織模型構(gòu)建，為大規(guī)模組織工程應(yīng)用提供了新途徑。
這項(xiàng)研究不僅解決了傳統(tǒng)生物打印中溫度依賴性的挑戰(zhàn)，還為開發(fā)更先進(jìn)的生物墨水系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。未來的工作將集中在優(yōu)化生物墨水配方以適應(yīng)不同組織類型的需求，以及探索其在體內(nèi)應(yīng)用的潛力。
