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  哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授課題組報(bào)道了一種基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）的生物墨水的制備方法，實(shí)現(xiàn)了具有納米孔-微孔-大孔多級(jí)孔的細(xì)胞負(fù)載水凝膠結(jié)構(gòu)的3D生物打印，并且證明這種可注射等級(jí)孔水凝膠在微創(chuàng)組織再生和細(xì)胞治療方面的應(yīng)用前景。

  多孔水凝膠由于內(nèi)部存在著大量孔結(jié)構(gòu)，可在注射前后具有形狀記憶功能，利用該功能可以將其直接注射到組織缺損空間內(nèi)與之相吻合并與周圍的宿主組織結(jié)合，實(shí)現(xiàn)組織再生修復(fù)。同時(shí)，該方法避免了侵入性外科手術(shù)，能極大地減輕患者的痛苦。然而，目前已報(bào)道的采用凍干成孔的可注射水凝膠雖然可壓縮性能較佳，卻不能在形成水凝膠的過程中直接加載細(xì)胞。因此，如何突破材料自身的限制，實(shí)現(xiàn)具有負(fù)載細(xì)胞且可壓縮及注射的水凝膠的3D生物打印是必須解決的一個(gè)問題。

  課題組利用甲基丙烯�；髂z本身具有的納米級(jí)分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合雙水相乳液原理制備出具有微米級(jí)別的連續(xù)孔結(jié)構(gòu)，并采用3D生物打印技術(shù)構(gòu)筑出宏觀孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有納米孔-微孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的水凝膠的3D生物打印。（圖1）。

圖1. 3D生物打印具有納米孔-微孔-大孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的可注射水凝膠模塊示意圖。

  研究工作探討了聚環(huán)氧乙烷（PEO）在生物墨水中的體積占比對(duì)水凝膠孔徑的影響；根據(jù)溫度對(duì)生物墨水的稠度的影響，采取降低溫度的方法提高可打印性；并探討了聚環(huán)氧乙烷（PEO）在生物墨水中的體積占比對(duì)力學(xué)性能的影響。（圖2）

圖2. 等級(jí)孔水凝膠的材料表征。

  研究工作同時(shí)從宏觀和微管兩個(gè)方面對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)水凝膠和多孔水凝膠的受壓前后表現(xiàn)，認(rèn)為等級(jí)孔的存在極大地提高了水凝膠受壓前后的形狀維持能力。（圖3）

圖3. 等級(jí)孔水凝膠形狀可記憶性能評(píng)價(jià)。

  研究工作對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)水凝膠和等級(jí)孔水凝膠在注射前后的結(jié)構(gòu)完整性，認(rèn)為等級(jí)孔的存在能提高水凝膠可注射性能。（圖4）

圖4. 等級(jí)孔水凝膠可注射性能評(píng)價(jià)。

  研究工作對(duì)水凝膠受壓、注射前后細(xì)胞的活性、增殖及伸展性能進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為經(jīng)過擠壓以及注射過程，細(xì)胞仍能保持良好的活性、增殖及伸展性能。（圖5）

圖5. 等級(jí)孔水凝膠受壓、注射前后細(xì)胞的活性、增殖及伸展性能的評(píng)估。

  研究工作隨后對(duì)等級(jí)孔水凝膠受壓、注射前后人間充質(zhì)干細(xì)胞的分化能力進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為經(jīng)過擠壓以及注射過程，人間充質(zhì)干細(xì)胞仍能保持良好的分化能力。（圖6）

圖6. 等級(jí)孔水凝膠受壓、注射前后人間充質(zhì)干細(xì)胞的分化能力表征。

  研究工作還對(duì)可注射等級(jí)孔水凝膠的體內(nèi)表現(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為等級(jí)孔水凝膠能使體內(nèi)細(xì)胞組織進(jìn)入孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長并實(shí)現(xiàn)組織修復(fù)。（圖7）

圖7. 可注射等級(jí)孔水凝膠體內(nèi)表征。

  該研究工作展示了一種具有納米孔-微孔-大孔等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的水凝膠的制備方法，不僅提高了受壓及注射前后的形貌保持功能，同時(shí)可以在形成水凝膠的過程中直接加載細(xì)胞，細(xì)胞活性、增殖、伸展和分化性能良好。同時(shí)，可以采用3D生物打印的優(yōu)點(diǎn)使之形狀可控性得到極大的提高，可望在組織工程、再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化治療方面得到應(yīng)用。該工作以“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Properties”為題在Advanced Functional Materials上發(fā)表。哈佛大學(xué)應(yīng)國量博士和姜楠博士為該論文的共同第一作者，通訊作者為Yu Shrike Zhang教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740

作者簡介

  Yu Shrike Zhang博士于美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院擔(dān)任助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物醫(yī)學(xué)工程系取得博士學(xué)位。研究領(lǐng)域包括生物打印及器官芯片的平臺(tái)搭建與應(yīng)用研究，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表研究論文及綜述200余篇，包括以第一或通訊作者發(fā)表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超過40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、C&EN、《科技日?qǐng)?bào)》等報(bào)道。擔(dān)任十余本雜志的主編、副主編和編委，曾獲得多種國際和地區(qū)性獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)。課題組網(wǎng)頁：https://shrikezhang.com/