Progress in Materials Science | 用于組織/器官生物3D打印的動態(tài)生物墨水進(jìn)展
2025年6月24日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長順團(tuán)隊(duì)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(xì)討論了包括課題組在內(nèi)的動態(tài)生物墨水在生物打印領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,并對該領(lǐng)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(shù)及新策略交叉研究,前期研制了仿生細(xì)胞外基質(zhì)(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(shù)[Nature Communications,2024a],成功應(yīng)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(fù)研究。
生物打印能夠迅速生成定制形狀的組織/器官仿生結(jié)構(gòu),為組織工程與再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展開拓了全新領(lǐng)域。生物墨水對于推動生物打印技術(shù)的進(jìn)步具有不可替代的關(guān)鍵作用。與傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò),能夠模擬天然ECM,提供細(xì)胞活性和生長,從而促進(jìn)生物打印類器官結(jié)構(gòu)的成熟,在過去的十年中得到了廣泛的關(guān)注和快速發(fā)展,故迫切需要對研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面系統(tǒng)總結(jié)(圖1)。
天然ECM是構(gòu)成細(xì)胞外微環(huán)境的非細(xì)胞框架,主要由大分子復(fù)合物組成,包括蛋白質(zhì)、多糖和脂質(zhì)。除了為細(xì)胞提供物理支持外,ECM還賦予細(xì)胞外環(huán)境特定的機(jī)械特性。與傳統(tǒng)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)不同,動態(tài)生物墨水被設(shè)計成可以復(fù)制ECM的多功能特性。我們詳細(xì)描述用于生物打印的動態(tài)生物墨水的分子設(shè)計原則,包括基于超分子的生物墨水和動態(tài)化學(xué)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(xì)介紹了動態(tài)生物墨水賦予生物打印技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢,包括可打印性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)。此外,當(dāng)前研究的前沿探索集中在組織器官的成功制造上。研究團(tuán)隊(duì)指出,動態(tài)生物墨水在骨、皮膚、心臟和肝臟等組織的修復(fù)與制造方面已表現(xiàn)出良好的前景,這些成功案例為未來復(fù)雜器官打印和臨床應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。
盡管已取得顯著進(jìn)展,動態(tài)生物墨水從實(shí)驗(yàn)室成功轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。論文最后對該領(lǐng)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(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院阮長順研究員/天津大學(xué)劉文廣教授為本論文的共同通訊作者,團(tuán)隊(duì)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(xué)家呂維加教授為本工作出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、深圳市醫(yī)學(xué)研究、基金委重大計劃、廣東省自然科學(xué)、深圳市科技項(xiàng)目等多個基金的資助。
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圖1 動態(tài)生物墨水的定義和數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 動態(tài)生物墨水的分子設(shè)計原理

圖3 動態(tài)生物墨水臨床轉(zhuǎn)化的未來方向和挑戰(zhàn)
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