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中科院深圳先進(jìn)院阮長(zhǎng)順團(tuán)隊(duì) AFM:小分子陽(yáng)離子聚合物增強(qiáng)海藻酸鹽生物墨水的打印性和生物活性
2023-12-14  來(lái)源:高分子科技

  利用先進(jìn)的生物3D打印技術(shù)體外仿生構(gòu)建組織、器官,用于再生醫(yī)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)研究和藥物篩選等已成為全球關(guān)注的研究熱點(diǎn)。打印墨水作為生物3D打印技術(shù)重要組成部分是實(shí)現(xiàn)打印精度,維持細(xì)胞存活及功能的基礎(chǔ)。其中,海藻酸鹽(Alg)因其廣泛的來(lái)源、較低的價(jià)格、優(yōu)異的生物安全性和可打印性被廣泛使用。然而,Alg墨水黏度高、打印后穩(wěn)定性差、缺少生物活性,嚴(yán)重阻礙了其在生物打印領(lǐng)域的應(yīng)用。如何讓這樣一款經(jīng)典的墨水材料重?fù)Q生機(jī)?近期,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院阮長(zhǎng)順團(tuán)隊(duì)提出雙交聯(lián)改進(jìn)策略(圖1),通過引入小分子聚陽(yáng)離子ε-聚賴氨酸(ε-PL和甲基丙烯;男裕-MA),對(duì)墨水(即AlgMA/PLMA)進(jìn)行打印前預(yù)交聯(lián)及打印后光交聯(lián),實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸、精細(xì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)建。此外,ε-PL賦予墨水可調(diào)的電荷性質(zhì),顯著提升了其細(xì)胞活性調(diào)控性能。相關(guān)工作以“A Small-Molecule Polycationic Crosslinker Boosts Alginate-Based Bioinks for Extrusion Bioprinting”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上(2023, 2310369)。本成果為該團(tuán)隊(duì)在2019提出聚電解質(zhì)基打印墨水(Lin et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808439.)后取得相關(guān)進(jìn)展。該論文得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目等基金的資助。


1  小分子聚陽(yáng)離子增強(qiáng)型海藻酸鹽生物墨水精準(zhǔn)構(gòu)建大尺寸結(jié)構(gòu)


2  AlgMA/PLMA生物墨水打印性能定量分析


  如圖2A所示,與傳統(tǒng)Alg基墨水,即 Alg/Ca2+、AlgMA/Ca2+AlgMA/GelMA,相比,得益于PL的小分子結(jié)構(gòu)及墨水的電荷中和效應(yīng),AlgMA/PLMA生物墨水可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻混合狀態(tài),降低了攪拌對(duì)細(xì)胞的傷害。進(jìn)一步,作者通過評(píng)估打印結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔形態(tài)隨時(shí)間的變化提供了一種通用的墨水打印后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法(圖2B)。除了已有的可打印性(Pr.,圖2C),作者還定義了幾個(gè)定量指標(biāo),包括形狀維持度(SM,2D2E)、打印穩(wěn)定性(PS,2F)和交聯(lián)穩(wěn)定性(CS2G)。基于上述參數(shù)的定量分析,系統(tǒng)性展示了AlgMA/PLMA生物墨水的高打印保真度。
除了打印性能的提升,AlgMA/PLMA生物墨水還解決了Alg生物惰性的問題(圖3)。帶正電的小分子ε-PLMA改變了Alg基材料的電荷微環(huán)境,進(jìn)而影響了墨水的親疏水及蛋白吸附等特性,使得細(xì)胞在AlgMA/PLMA生物墨水內(nèi)具有可調(diào)的生物相應(yīng)。如圖3所示,通過調(diào)節(jié)PLMA含量發(fā)現(xiàn),骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)在AlgMA8-PLMA8(相同質(zhì)量比)墨水中表現(xiàn)出最優(yōu)的增殖和鋪展水平。


3  AlgMA/PLMA生物墨水調(diào)控細(xì)胞活性


  綜上所述,與作為預(yù)交聯(lián)劑的單分子CaCl2或大分子甲基丙烯;髂z(GelMA)相比,由于靜電相互作用和共價(jià)鍵合,ε-PLMA 顯著增強(qiáng)了AlgMA生物墨水的打印可操作性并提高了打印后形狀維持度(圖1B)。同時(shí),ε-PLMA對(duì)墨水電荷微環(huán)境(-345.25 mV—121.55 mV)和親水性(26.64°—52.00°)的調(diào)節(jié),賦予AlgMA/PLMA墨水中的細(xì)胞表現(xiàn)出更好活力和功能。因此,小分子聚陽(yáng)離子交聯(lián)劑ε-PLMA作為一種活性“佐劑”,顯著改善了Alg基材料用作生物3D打印墨水的性能,有望進(jìn)一步擴(kuò)展其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202310369


通訊作者簡(jiǎn)介


  阮長(zhǎng)順,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員/博士生導(dǎo)師,聚焦于生物3D打印器官體外精準(zhǔn)制造與功能重建等前沿交叉研究,尤其在骨-關(guān)節(jié)功能重建方面。先后主持國(guó)家級(jí)課題5項(xiàng)(國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等),省市科技項(xiàng)目10余項(xiàng)。近年來(lái),以通訊作者(含共同)發(fā)表30余篇,包括The innovationAdv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Bone Res.、Biomaterials、Bioact. Mater.、Research等;申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利30余項(xiàng),國(guó)際PCT專利6項(xiàng),獲發(fā)明專利授權(quán)15項(xiàng),部分實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化;擔(dān)任中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料先進(jìn)制造分會(huì)秘書長(zhǎng)、中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)修復(fù)重建外科專業(yè)委員會(huì)再生醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化學(xué)組常務(wù)委員、中國(guó)醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會(huì)3D打印分會(huì)委員等;擔(dān)任生物制造領(lǐng)域國(guó)際期刊Bio-Des. Manuf 副主編。


  課題組長(zhǎng)期招聘博士后、研究助理等崗位,高分子材料、生物醫(yī)學(xué)工程等背景優(yōu)先。有意者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷(pdf)發(fā)送至阮長(zhǎng)順研究員郵箱cs.ruan@siat.ac.cn,郵件標(biāo)題請(qǐng)注明“意向崗位+姓名+畢業(yè)學(xué)校”。歡迎有志之士加入。
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