哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang教授《先進材料》：雙水相乳液生物墨水-3D生物打印構建多孔水凝膠的最新研究

【引言】

生物3D打印技術以其快速、精準、個性化等優點，可構建模擬人體組織的細胞負載水凝膠模塊，在生物醫學中應用前景廣泛。目前報道的生物墨水打印成型后，相互交聯形成密集的網絡，往往阻礙了營養物質的傳輸和代謝產物的交換，并且其網絡本身也會在一定程度上直接限制封裝在生物材料內細胞的伸展。多孔水凝膠由于其內部存在可作為生物代謝、物質傳輸、及細胞伸展的大量孔道，而被認為是提高細胞活性以及促進細胞生長和增殖的一種最佳的生物材料。開發可打印的3D生物墨水需要同時滿足合適的生物相容性、力學強度、打印可塑性等要求，并且保持多孔結構的穩定性，因此目前仍面臨諸多挑戰。

【成果簡介】

哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang教授課題組制備出一種雙水相乳液生物打印墨水，可實現細胞負載多孔水凝膠的直接快速打印成型。該生物墨水是由負載細胞的明膠甲基丙烯酰（GelMA）水溶液和聚環氧乙烷（PEO）水溶液兩個不混溶的相組成的雙水相乳液。通過降低溫度的方法調節該生物墨水的粘度使之適合擠出打印，同時通過光交聯GelMA相，實現水凝膠的快速成型。將此水凝膠置于細胞培養液中培養可快速除去PEO相，形成具有連通孔結構的細胞負載水凝膠模塊。這項研究為構建細胞負載多孔水凝膠模塊，實現人體組織或器官的模擬提供了新的方法，也得到了國際同行的認可，并于近日在國際材料領域頂級期刊Advanced Materials上發表。該研究成果題為“Aqueous Two-Phase Emulsion Bioink-Enabled 3D Bioprinting of Porous Hydrogels”。哈佛大學博士后研究員應國量博士和姜楠博士為該論文的共同第一作者。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805460

【圖文簡介】

圖1. 3D生物打印示意圖

(a)多孔水凝膠;?(b)非多孔水凝膠（標準水凝膠）

圖2. GelMA-PEO雙水相乳液的制備和表征

(a)PEO濃度對乳液液滴尺寸的影響；(b)?GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 體積比對乳液液滴尺寸的影響，紅色代表水凝膠，黑色代表連通孔；(c) 不同GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 體積比條件下，多孔水凝膠的孔徑分布；(d)多孔水凝膠的激光掃描共聚焦顯微3D重構圖；(e)多孔水凝膠的掃描電鏡圖；(f)多孔水凝膠的楊氏模量；(g)不同GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 體積比的乳液，溫度對乳液粘度的影響。

圖3.?細胞在多孔水凝膠中的生長(5% GelMA標準水凝膠作為對照組)

(a)死活染色試驗的熒光圖表征人肝癌細胞HepG2的1、3、7天活性. 綠色代表活細胞，紅色代表死細胞，柱狀圖為細胞活性的定量分析; (b) PrestoBlue^??試驗定量表征人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）在1、3、7天的增殖; (c) NIH / 3T3小鼠胚胎成纖維細胞（fibroblast）在標準水凝膠和多孔水凝膠內的細胞體積; (d)?NIH / 3T3小鼠胚胎成纖維細胞分別在標準水凝膠和多孔水凝膠中生長7天的細胞形態激光共聚焦顯微圖。

圖4.?雙水相乳液生物墨水的擠出打印

(a)設計的模型; (b)3D打印的單層結構顯微圖; (c)打印的多層結構光學圖; (d)?人臍靜脈內皮細胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纖維細胞在標準水凝膠和多孔水凝膠內生長7天的細胞形態熒光顯微圖。

圖5. 數字微鏡（DMD）立體光刻打印

(a)DMD立體光刻打印的原理示意圖;?(b)標準水凝膠和多孔水凝膠的生物打印光學圖;?(c)人肝癌細胞、人臍靜脈內皮細胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纖維細胞在標準水凝膠以及多孔水凝膠內的生長7天細胞形態的熒光顯微圖。

【小結】

綜上所述，相較于標準水凝膠，三種不同細胞（人肝癌細胞，人臍靜脈內皮細胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纖維細胞）在多孔水凝膠中的細胞活性、細胞生長形態以及增殖方面均得到極大的優化。新型雙水相乳液生物墨水為3D生物打印構建多孔水凝膠提供了一個強大而通用的平臺。該平臺可用于個性化設計多孔水凝膠結構組織，適用于組織工程、再生醫學和個性化治療等各種應用。

【作者簡介】

Yu Shrike Zhang博士

Yu Shrike Zhang博士于美國哈佛大學醫學院擔任教職，2013年Georgia Institute of Technology生物醫學工程系取得博士學位，2013年至2016年在哈佛大學醫學院下屬布萊根和婦女醫院生物醫學工程部從事博士后研究，2016年4月起擔任講師及副生物醫學工程師，并于2018年升任助理教授；研究領域包括生物制造及器官芯片的平臺搭建與應用研究，在相關領域發表論文140余篇，包括以第一或通訊作者發表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials?等，其中超過25篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/Stat News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、《科技日報》等報道，曾獲得多種國際和地區性獎項40余項。

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