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中科院深圳先進院阮長順團隊 AFM:小分子陽離子聚合物增強海藻酸鹽生物墨水的打印性和生物活性
2023-12-14  來源:高分子科技

  利用先進的生物3D打印技術體外仿生構建組織、器官,用于再生醫學、發育生物學研究和藥物篩選等已成為全球關注的研究熱點。打印墨水作為生物3D打印技術重要組成部分是實現打印精度,維持細胞存活及功能的基礎。其中,海藻酸鹽(Alg)因其廣泛的來源、較低的價格、優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、打印后穩定性差、缺少生物活性,嚴重阻礙了其在生物打印領域的應用。如何讓這樣一款經典的墨水材料重換生機?近期,中國科學院深圳先進技術研究院阮長順團隊提出雙交聯改進策略(圖1),通過引入小分子聚陽離子ε-聚賴氨酸(ε-PL和甲基丙烯;男裕-MA),對墨水(即AlgMA/PLMA)進行打印前預交聯及打印后光交聯,實現了對大尺寸、精細結構的穩定構建。此外,ε-PL賦予墨水可調的電荷性質,顯著提升了其細胞活性調控性能。相關工作以“A Small-Molecule Polycationic Crosslinker Boosts Alginate-Based Bioinks for Extrusion Bioprinting”為題發表在《Advanced Functional Materials》上(2023, 2310369)。本成果為該團隊在2019提出聚電解質基打印墨水(Lin et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808439.)后取得相關進展。該論文得到了國家重點研發計劃項目、國家自然基金優秀青年基金項目等基金的資助。


1  小分子聚陽離子增強型海藻酸鹽生物墨水精準構建大尺寸結構


2  AlgMA/PLMA生物墨水打印性能定量分析


  如圖2A所示,與傳統Alg基墨水,即 Alg/Ca2+、AlgMA/Ca2+AlgMA/GelMA,相比,得益于PL的小分子結構及墨水的電荷中和效應,AlgMA/PLMA生物墨水可以在更短的時間內達到均勻混合狀態,降低了攪拌對細胞的傷害。進一步,作者通過評估打印結構的網孔形態隨時間的變化提供了一種通用的墨水打印后穩定性評價方法(圖2B)。除了已有的可打印性(Pr.,圖2C),作者還定義了幾個定量指標,包括形狀維持度(SM,2D2E)、打印穩定性(PS2F)和交聯穩定性(CS,2G)。基于上述參數的定量分析,系統性展示了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基材料的電荷微環境,進而影響了墨水的親疏水及蛋白吸附等特性,使得細胞在AlgMA/PLMA生物墨水內具有可調的生物相應。如圖3所示,通過調節PLMA含量發現,骨髓間充質干細胞(BMSC)在AlgMA8-PLMA8(相同質量比)墨水中表現出最優的增殖和鋪展水平。


3  AlgMA/PLMA生物墨水調控細胞活性


  綜上所述,與作為預交聯劑的單分子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鍵合,ε-PLMA 顯著增強了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,ε-PLMA對墨水電荷微環境(-345.25 mV—121.55 mV)和親水性(26.64°—52.00°)的調節,賦予AlgMA/PLMA墨水中的細胞表現出更好活力和功能。因此,小分子聚陽離子交聯劑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,有望進一步擴展其生物醫學應用。


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


通訊作者簡介


  阮長順,中國科學院深圳先進技術研究院研究員/博士生導師,聚焦于生物3D打印器官體外精準制造與功能重建等前沿交叉研究,尤其在骨-關節功能重建方面。先后主持國家級課題5項(國家自然科學基金優秀青年項目、科技部重點研發計劃課題等),省市科技項目10余項。近年來,以通訊作者(含共同)發表30余篇,包括The innovation、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.Bone Res.、BiomaterialsBioact. Mater.、Research等;申報中國發明專利30余項,國際PCT專利6項,獲發明專利授權15項,部分實現轉化;擔任中國生物材料學會生物材料先進制造分會秘書長、中國康復醫學會修復重建外科專業委員會再生醫學轉化學組常務委員、中國醫藥生物技術協會3D打印分會委員等;擔任生物制造領域國際期刊Bio-Des. Manuf 副主編。


  課題組長期招聘博士后、研究助理等崗位,高分子材料、生物醫學工程等背景優先。有意者請將個人簡歷(pdf)發送至阮長順研究員郵箱cs.ruan@siat.ac.cn,郵件標題請注明“意向崗位+姓名+畢業學校”。歡迎有志之士加入。
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(責任編輯:xu)
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