基于挤出的生物打印是一种新兴的3D打印技术，适合制造细胞装载的特殊结构。“生物墨水”影响着打印可行性、结构稳定性，以及打印后细胞的活力。通常，水凝胶是细胞封装和培养的理想材料，研究人员已经开发了多种通过挤出成形或光照形成水凝胶的生物墨水材料，例如胶原蛋白、海藻酸盐、明胶甲基丙烯酰(GelMA)、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)等。
其中，基于 GelMA 的生物打印材料在再生医学领域表现得更良好，它具有易于处理、免疫原性低、成本低廉等优点。此外，作为一种基于明胶的水凝胶，GelMA包含肽可裂解的序列，例如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 (RGD) 和基质金属肽酶 (MMP)基序，这对细胞粘附、迁移和生长来说至关重要。
然而，GelMA在交联机制方面却有着明显的缺陷，因为它通过自由基介导的链增长聚合进行光交联，容易受到氧抑制并导致活性氧(ROS)积累，这对装载的细胞或蛋白来说是不利的，非常容易造成细胞的死亡或蛋白功能的丧失。相较于此，硫醇-烯化学的简单高效、对环境氧气不敏感，并且其逐步增长聚合的过程中会消耗ROS，从而保留了细胞和蛋白质的生物活性。
因此，本文作者以明胶-降冰片烯(GelNB)为生物墨水基质，以硫醇化肝素(HepSH)为交联剂，挤出后在光照条件下(365 nm)通过快速的逐步聚合制备了适合细胞负载的GelNB/HepSH水凝胶(图1)。
图1. 分别利用
GelMA 和
GelNB/HepSH 生物墨水进行细胞负载生物打印的示意图。
这种水凝胶的机械稳定性和模量很容易通过硫醇取代物的浓度或取代程度来控制。除此以外，作者对人脐静脉内皮细胞
(HUVEC)进行封装和细胞内
ROS水平评估，发现相较于
GelMA基材料，用
GelNB/HepSH封装细胞后，胞内的
ROS含量明显更低，且细胞存活率也更高
(图
2)。
图2.
GelNB基水凝胶中巯基对储存模量的影响。
最后，在细胞负载生物打印实验中可以看到，在培养的第一天，
GelNB/HepSH 构建体中
HUVEC的存活率略低于
GelMA 水凝胶，可能是由于交联
GelNB/HepSH 水凝胶的模量较高。但是在第七天时，随着细胞增殖，它们在
GelNB/HepSH 中的生存能力变得高于
GelMA(图
3A&B)，在促进封装后
HUVEC的生长和增殖方面也表现出比
GelMA 更好的性能。
图3.
GelMA与
GelNB/HepSH基生物墨水用于细胞负载生物打印对比。
综上所述，作者以明胶
-降冰片烯
(GelNB)为生物墨水基质，以硫醇化肝素
(HepSH)为交联剂，通过挤出
-光照交联制备了适合细胞负载的
GelNB/HepSH水凝胶。该方法为基于硫醇
-烯化学的生物打印的发展提供了多种可能性，有望进一步应用于再生医学领域中特定组织或器官样结构的打印。
该研究以
Thiol-Rich Multifunctional Macromolecular Crosslinker for Gelatin-Norbornene-Based Bioprinting
为题发表在Biomacromolecules上。本文的通讯作者是中山大学的白莹教授。
原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00421
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2021年6月17日 11:17
