洪奕教授、戴國豪教授發明一種用於三維生物列印的高彈性、生物可降解、單網路水凝膠

三維生物列印在組織工程和再生醫學領域有廣泛的應用前景，但是目前可用於三維生物列印的材料還比較有限，尤其是具有彈性且能模擬人體組織力學性能的生物列印材料。為了解決這個難題，美國德州大學阿靈頓分校生物工程系的洪奕教授和波士頓東北大學生物醫學工程系的戴國豪教授領導的團隊發明了一種可用於三維生物列印的彈性水凝膠，該水凝膠基於單網路高分子聚合物，具有高柔順性和高彈性，且在藍光照射下就可成膠。不同於以往的雙網路高彈性水凝膠，該水凝膠具有單一網路結構和單一成膠激發因子（藍光，可見光），因此大大簡化了三維生物列印的過程。該研究成果於2018年2月16日以「Highly Elastic Biodegradable Single-Network Hydrogel for CellPrinting」為題目發表於《ACS Appl. Mater. Interfaces》雜誌上，併入選ACS Editor』sChoice. 美國化學會(ACS) 每天從上百篇投稿中精選出一篇代表該領域最前沿的科學研究作為ACS編輯選擇的文章進行亮點報道。博士生徐燦燦是該論文第一作者。

細胞列印已經被廣泛應用於生物醫學修復和再生領域，因為其能夠構建複雜，精細的用於支持細胞生長分化的組織工程支架。並且細胞列印過程中，細胞懸液和生物材料均勻混合，製備得到的組織工程支架包含大量細胞均勻分散在支架中。在眾多的應用於細胞列印的生物材料中，水凝膠得到廣泛的關注，一方面是由於其良好的生物相容性，另一方面是其多樣化的成膠條件（如溫敏型水凝膠，離子交聯型水凝膠和紫外光交聯水凝膠）大大提高了細胞列印的可行性。傳統的水凝膠材料例如透明質酸，明膠，海藻酸鈉，聚乙烯醇（PEG），和甲基丙烯醯胺化的明膠（GelMA）大多缺乏力學強度和彈性。為了改善水凝膠的力學強度和彈性，之前大量報道了許多雙網路甚至多網路的水凝膠體系。然而這些雙網路甚至多網路的水凝膠的成膠過程往往涉及不止一種成膠因素，故而大大增加了細胞列印過程的複雜性。因此本論文設計了一種單一網路結構的水凝膠（PEG-PCL-DA）:基於一種生物可降解的三嵌段聚合物（PCL-PEG-PCL），兩端用丙烯醯氯修飾。這種單網路結構的水凝膠在一種水溶性的，細胞相容性良好的可見光引發劑LAP 的作用下，在波長為395-405 nm的可見光照射下能夠快速成膠。由於其良好的生物相容性，和極強的細胞列印可操作性，PEG-PCL-DA 可以和各種細胞懸液混合，在可見光的照射下，快速列印成不同的圖案。具體的實驗示意如圖1所示。

圖1：用於細胞列印的高彈性，生物可降解，單網路水凝膠的製備示意圖。

PEG-PCL-DA水凝膠具有良好的拉伸，壓縮和扭曲性能， 如圖2所示。以不含有PCL的PEG-DA 水凝膠作為對照組，其在輕微拉伸，以及較大的壓縮和扭曲變形下均會發生斷裂或者破碎，無法在所施加的應力撤銷以後恢復到原來的狀態。PEG-PCL-DA 優秀的力學性能和彈性主要由於PCL嵌段之間的疏水作用可以起到分散外界應力的作用。

圖2：PEG-PCL-DA 良好的拉伸，壓縮以及扭曲性能。

此外，PEG-PCL-DA 水凝膠具有良好的細胞相容性，能夠很好的支持小鼠成纖維細胞在水凝膠內的體外培養。多種人體細胞，包括新生兒肺成纖維細胞（neonatal human lungfibroblasts）, 人體臍帶靜脈內皮細胞（human umbilical veinendothelial cells）, 和人體大動脈平滑肌細胞（ human aortic smooth musclecells）與PEG-PCL-DA溶液共混進行細胞列印。所得的細胞/材料 共混體系在體外培養7天以後仍然保持較高的細胞活性（圖3）。該單網路水凝膠可以通過細胞列印的方式得到多種複雜的圖案 (圖3)。這種高彈性，單網路結構的生物可降解水凝膠能夠極方便的適用於細胞列印且保持較高細胞存活率，為製備適用於生物列印的水凝膠提供了全新的思路。

圖3：PEG-PCL-DA 水凝膠的細胞相容性和可列印性。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b01294

來源：高分子科學前沿

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