Advanced Functional Materials | 深圳先進(jìn)院報(bào)道小分子陽(yáng)離子聚合物增強(qiáng)海藻酸鹽基生物墨水的可打印性和生物活性
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所阮長(zhǎng)順課題組在Advanced Functional Materials在線(xiàn)發(fā)表研究論文A Small-Molecule Polycationic Crosslinker Boosts Alginate-Based Bioinks for Extrusion Bioprinting。提出雙交聯(lián)改進(jìn)策略(圖1),通過(guò)引入小分子聚陽(yáng)離子 -聚賴(lài)氨酸( -PL)和甲基丙烯酰化改性(-MA),對(duì)墨水(即AlgMA/PLMA)進(jìn)行打印前預(yù)交聯(lián)及打印后光交聯(lián),實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸、精細(xì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)建。此外, -PL賦予墨水可調(diào)的電荷性質(zhì),顯著提升了其細(xì)胞活性調(diào)控性能,為組織/器官體外精準(zhǔn)制造提供基礎(chǔ)。
利用先進(jìn)的生物3D打印技術(shù)體外仿生構(gòu)建組織、器官,用于再生醫(yī)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)研究和藥物篩選等已成為全球關(guān)注的研究熱點(diǎn)。打印墨水作為生物3D打印技術(shù)重要組成部分是實(shí)現(xiàn)打印精度,維持細(xì)胞存活及功能的基礎(chǔ)。其中,海藻酸鹽(Alg)因其廣泛的來(lái)源、較低的價(jià)格、優(yōu)異的生物安全性和可打印性被廣泛使用。然而,Alg墨水黏度高、打印后穩(wěn)定性差、缺少生物活性,嚴(yán)重阻礙了其在生物打印領(lǐng)域的應(yīng)用。阮長(zhǎng)順研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入小分子聚陽(yáng)離子 -PLMA與AlgMA形成的聚電解質(zhì)來(lái)解決此項(xiàng)挑戰(zhàn)。
與傳統(tǒng)Alg基墨水,即 Alg/Ca2+、AlgMA/Ca2+和AlgMA/GelMA相比,得益于PL的小分子結(jié)構(gòu)及墨水的電荷中和效應(yīng),AlgMA/PLMA生物墨水可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻混合狀態(tài),降低了攪拌對(duì)細(xì)胞的傷害。進(jìn)一步,作者通過(guò)評(píng)估打印結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔形態(tài)隨時(shí)間的變化提供了一種通用的墨水打印后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。除了已有的可打印性(Pr.),作者還定義了幾個(gè)定量指標(biāo),包括形狀維持度(SM)、打印穩(wěn)定性(PS)和交聯(lián)穩(wěn)定性(CS)。基于上述參數(shù)的定量分析,系統(tǒng)性展示了AlgMA/PLMA生物墨水的高打印保真度(圖1)。
除了打印性能的提升,AlgMA/PLMA生物墨水還解決了Alg生物惰性的問(wèn)題。帶正電的小分子 -PLMA改變了Alg基材料的電荷微環(huán)境,進(jìn)而影響了墨水的親疏水及蛋白吸附等特性,使得細(xì)胞在AlgMA/PLMA生物墨水內(nèi)具有可調(diào)的生物相應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)PLMA含量發(fā)現(xiàn),骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)在AlgMA8-PLMA8(相同質(zhì)量比)墨水中表現(xiàn)出最優(yōu)的增殖和鋪展水平。
阮長(zhǎng)順團(tuán)隊(duì)在2019年提出聚電解質(zhì)基打印墨水(Lin et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808439.)研究,本研究則推動(dòng)聚電解質(zhì)基墨水在細(xì)胞打印中應(yīng)用。阮長(zhǎng)順課題組研究助理高崇健和碩士研究生唐瀾為該論文的共同第一作者,深圳先進(jìn)院助理研究員王品品、深圳市人民醫(yī)院主任醫(yī)師許楠和深圳先進(jìn)院研究員阮長(zhǎng)順為該論文的共同通訊作者。另外,深圳先進(jìn)院周添副研究員、潘浩波研究員及呂維加研究員等也對(duì)該工作做出重要貢獻(xiàn)。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等基金的資助。
圖1 小分子聚陽(yáng)離子增強(qiáng)型海藻酸鹽生物墨水精準(zhǔn)構(gòu)建大尺寸結(jié)構(gòu)
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