用于生物3D打印構(gòu)建異質(zhì)仿生體外模型的肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水

來源： 高分子科技

基于增材制造原理，生物3D打印可將由生物材料、細(xì)胞或生長因子等組成的生物墨水逐層堆積構(gòu)建出具有生物功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，正日益成為體外模型構(gòu)建的有力工具。而作為生物3D打印的關(guān)鍵要素，生物墨水既決定了打印技術(shù)的具體實(shí)施，也直接決定了細(xì)胞存在的三維環(huán)境。但現(xiàn)有生物墨水通常面臨可打印性和生物功能性間的權(quán)衡，造成了生物制造窗口（ 高分子科技  Window）狹窄，或體外模型結(jié)構(gòu)及功能單一。研究表明，生物墨水的力學(xué)性能與其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密不可分，而基于天然材料構(gòu)建的生物墨水在外力作用下大多會(huì)發(fā)生凝膠體系破壞而無法滿足應(yīng)用需求。近年來，通過構(gòu)建規(guī)整網(wǎng)絡(luò)或引入能量耗散機(jī)制以增強(qiáng)生物墨水力學(xué)性能的研究引起了廣泛關(guān)注。其中，四臂聚乙二醇（4-Arm-PEG）因具有互補(bǔ)端基和相同結(jié)構(gòu)尺寸以及能夠在凝膠過程中產(chǎn)生具有相同長度的鏈段而被認(rèn)為是經(jīng)典的規(guī)整網(wǎng)絡(luò)。然而，4-Arm-PEG 有限的端基數(shù)量和官能團(tuán)密度會(huì)導(dǎo)致其在被用作生物墨水時(shí)面臨著反應(yīng)效率低下、成膠時(shí)間過長以及缺乏功能性等局限。

針對(duì)上述問題，南京工業(yè)大學(xué)顧忠偉/毛宏理團(tuán)隊(duì)及合作團(tuán)隊(duì)從生物制造窗口出發(fā)提出了一種基于肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水的構(gòu)建策略，開發(fā)出以賴氨酸樹狀大分子修飾4-Arm-PEG為主體的光點(diǎn)擊生物墨水，顯著縮短了生物墨水的成膠時(shí)間，提高了生物墨水的儲(chǔ)能模量以及壓縮強(qiáng)度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)體外復(fù)雜模型的高分辨打印。另外，基于該生物墨水，研究團(tuán)隊(duì)通過生物3D打印構(gòu)建了含肝細(xì)胞（HepG2/C3A）、肝星狀細(xì)胞（LX-2）和內(nèi)皮細(xì)胞（EA.hy.926）的血管化肝模型，不僅從結(jié)構(gòu)上模擬了體內(nèi)肝臟的實(shí)質(zhì)層及非實(shí)質(zhì)層，同時(shí)在動(dòng)態(tài)灌注條件下更大程度地仿生了體內(nèi)肝臟微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了肝模型的血管內(nèi)皮屏障、糖原儲(chǔ)存、白蛋白分泌和尿素生成等能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際重要刊物《Acta Biomaterialia》上(Peptide-dendrimer-reinforced bioinks for 3D bioprinting of heterogeneous and biomimetic in vitro models. 2023, DOI: 10.1016/j.actbio.2023.08.008)，文章第一作者為周可博士，通訊作者為顧忠偉/毛宏理教授。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金的資助。

Figure 1. 肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水制備及其用于生物3D打印血管化肝模型示意圖

Figure 2. 肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水理化性能表征

Figure 3. 肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水可打印性評(píng)價(jià)

Figure 4. 基于肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水的打印結(jié)構(gòu)形狀保真度評(píng)價(jià)

Figure 5. 肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水用于生物3D打印血管化肝模型

Figure 6. 基于肽類樹狀分子增強(qiáng)生物墨水構(gòu)建的血管化肝模型功能評(píng)價(jià)

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https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.08.008