Progress in Materials Science | 用于組織/器官生物3D打印的動態(tài)生物墨水進展
2025年6月24日,中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長順團隊在Progress in Materials Science在線發(fā)表題為“Dynamic bioinks for tissue/organ bioprinting: Principle, challenge, and perspective”的綜述論文。該綜述詳細討論了包括課題組在內的動態(tài)生物墨水在生物打印領域的最新研究進展,并對該領域的未來發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)提出了新的見解和思考。阮長順課題組聚焦于生物3D打印組織/器官工程的新材料、新技術及新策略交叉研究,前期研制了仿生細胞外基質(ECM)的系列動態(tài)生物墨水[Advanced Functional Materials, 2019; Advanced Functional Materials, 2024],建立了多通道融合[The Innovation,2024]/變纖維打印技術[Nature Communications,2024a],成功應用于骨[Nature Communications, 2024b, Advanced Functional Materials, 2025]、骨-軟骨[Advanced Science, 2019]以及血管[Advanced Functional Materials, 2020]等組織/器官的仿生制造與再生修復研究。
生物打印能夠迅速生成定制形狀的組織/器官仿生結構,為組織工程與再生醫(yī)學的發(fā)展開拓了全新領域。生物墨水對于推動生物打印技術的進步具有不可替代的關鍵作用。與傳統的靜態(tài)生物墨水相比,動態(tài)生物墨水具有可逆性的動態(tài)分子網絡,能夠模擬天然ECM,提供細胞活性和生長,從而促進生物打印類器官結構的成熟,在過去的十年中得到了廣泛的關注和快速發(fā)展,故迫切需要對研究現狀進行全面系統總結(圖1)。
天然ECM是構成細胞外微環(huán)境的非細胞框架,主要由大分子復合物組成,包括蛋白質、多糖和脂質。除了為細胞提供物理支持外,ECM還賦予細胞外環(huán)境特定的機械特性。與傳統的靜態(tài)網絡不同,動態(tài)生物墨水被設計成可以復制ECM的多功能特性。我們詳細描述用于生物打印的動態(tài)生物墨水的分子設計原則,包括基于超分子的生物墨水和動態(tài)化學鍵。其中,動態(tài)生物墨水主要分為兩類:超分子相互作用和可逆動態(tài)鍵。超分子生物墨水的作用力主要包括氫鍵作用、主-客體作用、靜電作用、π-π堆積和疏水作用?;趧討B(tài)鍵的生物墨水也得到了廣泛的研究,包括可逆Diels-Alder鍵、希夫堿鍵、腙鍵、硼酸鍵、硫酯鍵和二硫鍵(圖2)。
接著,文章詳細介紹了動態(tài)生物墨水賦予生物打印技術的關鍵優(yōu)勢,包括可打印性、結構穩(wěn)定性和細胞行為的調節(jié)。此外,當前研究的前沿探索集中在組織器官的成功制造上。研究團隊指出,動態(tài)生物墨水在骨、皮膚、心臟和肝臟等組織的修復與制造方面已表現出良好的前景,這些成功案例為未來復雜器官打印和臨床應用提供了寶貴經驗和數據支持。
盡管已取得顯著進展,動態(tài)生物墨水從實驗室成功轉化為臨床應用仍面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。論文最后對該領域的未來發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)提出了新的見解和思考(圖3)。
中國科學院深圳先進技術研究院阮長順研究員/天津大學劉文廣教授為本論文的共同通訊作者,團隊碩士研究生馬鐸為論文第一作者。課題組博士后劉娟、首席科學家呂維加教授為本工作出了重要貢獻。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、深圳市醫(yī)學研究、基金委重大計劃、廣東省自然科學、深圳市科技項目等多個基金的資助。
?


圖1 動態(tài)生物墨水的定義和數據統計

圖2 動態(tài)生物墨水的分子設計原理

圖3 動態(tài)生物墨水臨床轉化的未來方向和挑戰(zhàn)
?
附件下載: