去年,德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校(UTA)生物工程學(xué)洪奕教授獲得美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)頒發(fā)的R21資助,為患有血管疾病缺陷的兒童制作3D打印血管材料。現(xiàn)在,他正在領(lǐng)導(dǎo)一個團隊為3D打印材料模仿人體軟組織創(chuàng)建一個高彈性可生物降解水凝膠,從而繼續(xù)他在醫(yī)療領(lǐng)域的3D打印工作。這種有彈性的新物質(zhì)有一天會幫助產(chǎn)生幾種不同類型的組織,包括血管,心臟肌肉,骨骼肌肉和皮膚。
洪教授解釋說:“軟組織生物打印經(jīng)歷了巨大的挑戰(zhàn),因為水凝膠常常易碎且不可拉伸,并且不能模擬人體軟組織的機械行為。”
為了克服這些挑戰(zhàn),他們開發(fā)了一種簡單的系統(tǒng),該系統(tǒng)使用由可見光激活的單一交聯(lián)機制來實現(xiàn)用于細胞打印的高度彈性和穩(wěn)健的可生物降解和生物相容性水凝膠。
3D生物打印技術(shù)(包括人造組織支架在內(nèi)使用活細胞)將最終改變我們所知道的醫(yī)療保健領(lǐng)域。但水凝膠雖然在3D生物打印應(yīng)用中經(jīng)常使用,但不是萬無一失的材料,并且容易斷裂。洪教授說:“它不強壯,不軟,沒有彈性。”
研究人員最近在美國化學(xué)學(xué)會的ACS應(yīng)用材料與界面雜志上發(fā)表了一篇題為“高彈性可生物降解的單網(wǎng)格水凝膠用于細胞打印”的論文。博士生徐燦燦是該論文第一作者,通訊作者為洪奕教授和來自波士頓東北大學(xué)的戴國豪教授。
細胞打印正在成為制造用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用打印纖維素支架的的常用技術(shù)。在使用水凝膠的軟組織生物打印中仍存在重大挑戰(zhàn),這需要水凝膠內(nèi)的活細胞。此外,水凝膠的彈性機械性能也需要機械模仿天然軟組織。在這里,他們開發(fā)了可見光交聯(lián),單網(wǎng)格,可生物降解的水凝膠,具有高度彈性和靈活性,適用于細胞打印,與以前具有雙網(wǎng)絡(luò)和雙組分的高彈性水凝膠不同。單網(wǎng)絡(luò)水凝膠僅使用一種刺激物(可見光)來觸發(fā)凝膠化,可以極大地簡化細胞打印過程。獲得的水凝膠具有高彈性,并且可以調(diào)整它們的機械性能以匹配各種天然軟組織。水凝膠具有良好的細胞相容性以支持體外成纖維細胞生長。用水凝膠將各種人類細胞生物打印以形成細胞凝膠構(gòu)建體,其中細胞在培養(yǎng)7天后表現(xiàn)出高生存力。復(fù)合形狀由水凝膠打印,表明細胞打印的水凝膠可行性。我們相信這種高度彈性的單網(wǎng)格水凝膠可以用不同的細胞類型進行簡單打印,并且可以為基于水凝膠的生物打印研究提供新的材料平臺和新思路。
在被選為美國化學(xué)學(xué)會編輯選擇的論文中,研究人員解釋了他們的3D可打印水凝膠是如何由聚己內(nèi)酯-聚(乙二醇)-聚己內(nèi)酯(PCL-PEG-PCL)三嵌段可生物降解聚合物)-連同兩個端基丙烯酸酯和一個可見光水溶性引發(fā)劑。
洪教授表示:“聚己酸內(nèi)酯和聚乙二醇已經(jīng)在食品和藥物管理局批準(zhǔn)的設(shè)備和植入物中廣泛使用,這將有助于將材料快速轉(zhuǎn)變成未來的臨床前和臨床試驗。這種水凝膠的力學(xué)性能與不同軟組織匹配的可調(diào)性具有真正的優(yōu)勢。
據(jù)悉,已經(jīng)為新的彈性材料申請了臨時專利,該新型彈性材料可以用于創(chuàng)建組織貼片,其將幫助患者的天然組織愈合和再生。該研究的目標(biāo)是使用新型水凝膠為患有心臟缺陷的兒童制作新血管。然而,洪教授說,在實現(xiàn)這個目標(biāo)之前,還有很長的路要走。
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