哈佛醫學院Yu Shrike Zhang教授Adv. Funct. Mater.：具有形狀可記憶功能的可注射等級孔水凝膠的3D生物打印

【引言】

在組織缺損空間內直接注射與缺損空間相吻合的細胞負載水凝膠，可在避免侵入性外科手術的同時實現組織再生修復，因此可注射水凝膠在組織再生醫學中應用前景廣泛。多孔水凝膠由于內部存在著大量孔結構，在注射或者受壓變形時比普通水凝膠有更好的形狀記憶功能。目前已報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胞。因此，如何突破材料自身的限制，實現具有負載細胞且形狀可記憶水凝膠的3D生物打印是必須解決的一個問題。

【成果簡介】

哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang教授課題組制備出一種基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）的可以直接打印形成具有納米孔-微孔-大孔多級孔結構的水凝膠結構的生物墨水，實現了能匹配復雜缺損組織結構的細胞負載多孔水凝膠模塊的快速成型。利用甲基丙烯酰化明膠本身具有的納米結構，基于雙水相乳液原理制備的生物墨水可以直接產生具有微米級別的連續孔結構，而采用3D生物打印技術可以在打印過程中形成宏觀孔結構。由于納米孔-微孔-大孔多級孔結構的存在，該細胞負載多孔水凝膠模塊在受到擠壓或者注射后能快速恢復其初始形狀，并且具有較高的細胞活性、增值、伸展和分化能力。此外，體內研究結果進一步表明，構建的多孔水凝膠可以很好地與周圍的宿主組織結合。這項研究表明，具有納米孔-微孔-大孔多級孔的細胞負載水凝膠結構的3D生物打印在微創組織再生和細胞治療方面應用前景廣闊。

相關成果以“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Properties”為題在Advanced Functional Materials上發表。哈佛大學應國量博士和姜楠博士為該論文的共同第一作者。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740

【圖文簡介】

圖1. 3D生物打印具有納米孔-微孔-大孔多級孔結構的可注射水凝膠模塊示意圖。

圖2. 等級孔水凝膠的材料表征。

圖3.?等級孔水凝膠形貌保持性能表征。

圖4.?等級孔水凝膠可注射性能測試。

圖5.?等級孔水凝膠受壓、注射前后細胞的活性、增殖及伸展性能的評估。

圖6. 等級孔水凝膠受壓、注射前后人間充質干細胞的分化能力表征。

圖7. 可注射等級孔水凝膠體內表征。

【小結】

綜上所述，相較于標準水凝膠，具有納米孔-微孔-大孔等級孔結構的水凝膠受壓及注射前后形狀記憶和保持功能得到了極大的優化，具有良好的細胞活性、增殖、伸展和分化性能。同時，可以采用3D生物打印的優點使之形狀可控性得到極大的提高，可適用于組織工程、再生醫學和個性化治療等各種應用。

【作者簡介】

Yu Shrike Zhang教授

Yu Shrike Zhang博士于美國哈佛大學醫學院擔任助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物醫學工程系取得博士學位。研究領域包括生物打印及器官芯片的平臺搭建與應用研究，在相關領域發表研究論文及綜述200余篇，包括以第一或通訊作者發表的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、《科技日報》等報道。擔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性獎項40余項。課題組網頁：https://shrikezhang.com/

本文由作者團隊供稿。