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光刻法生物印刷术新武器——光交联,热可逆,Ⅰ型胶原生物墨水

作者:南京德西宝电子科技有限公司

一队来自罗格斯,新泽西州立大学的生物医学工程师将甲基丙烯酸胶原的性质进行独特组合后,展示了胶原作为生物墨水潜力巨大的一面,由胶原制成的生物墨水可以供组织工程和再生医学进行3D支架的简单光刻法印刷。Ⅰ型胶原是人体中存在最为普遍的蛋白质。作为最主要的形成胶原蛋白的纤丝成分,Ⅰ型胶原为许多软组织提供了强度和结构。从组织中提取Ⅰ型胶原也十分简单,因此它常被用作体外研究中的二维或三维基质。此外,Ⅰ型胶原分级自组装为强有力且灵活的纤维的能力和出色的物种间生物相容性都使其广泛应用于组织工程中。3D打印技术日益受到再生医学的欢迎,但Ⅰ型胶原纤维状的高级结构使其作为生物墨水变得更为复杂。

在之前的研究中,David Shreiber教授和他的团队用甲基丙烯酸酯使Ⅰ型胶原赖氨酸残基功能化,组成胶原蛋白甲基丙烯胺酰胺,或称为CMA。CMA保留了Ⅰ型胶原的三重螺旋结构,和自组装成纤维和纤维状共聚凝胶的能力。CMA还具有对光不稳定性,在暴露于紫外线造成的自由基时会以纤维形式发生交联。出乎意料的是,CMA同时展示出热可逆性:在低温和生理pH条件下,胶原和CMA均以三重螺旋悬架的形式存在;当温度上升到37℃时,两者都会形成纤维状共聚凝胶;然而温度下降时,Ⅰ型胶原会维持纤维状共聚凝胶状态,但CMA会解离成三重螺旋或短的寡聚物,回复为悬架状态;升温后CMA会再度组成纤维状共聚凝胶。CMA感光交联成为共聚凝胶后就使丧失了热可逆性。

“我们没想到CMA具有热可逆性,目前还在探讨其机制。然而,当我们发现了CMA的热可逆性,且这个性质可以被感光交联消除时,就意识到Ⅰ型胶原和甲基丙烯酸酯的联合可以使CMA成为支架3D打印生物墨水的完美之选。”该实验室的前研究生,现食品药品管理局的美国医学生物工程院院士Kathryn Drzewiecki说。在TECHNOLOGY 杂志12月刊的报道中,研究团队透过面罩将CMA共聚凝胶暴露于紫外线和光引发剂下,共聚凝胶的特定区域就会发生交联。随后将发生空间交联的凝胶置于冰箱中“低温融化”未暴露的区域,融化的部分可以被冲洗掉,从而分离出模式化的交联共聚凝胶。

Shreiber和他的团队展示了分辨率为350μm的平板印刷支架。可能令人印象更深刻的是,利用普通办公室用激光打印机打印出来的光掩膜,他们可以打印出与面罩宏观特点几乎相同的支架。这种支架经过冷冻干燥可以形成胶原蛋白为基础的海绵,再次水化后仍能保持原有形状;特定形状的细胞支架在CMA中包含解离的细胞时也可以被打印出出来。那些细胞显示了很好的生存能力,迁移能力和表型行为,这与和胶原共聚凝胶支架相互作用的细胞是一致的。

“如今,机械性能被视作为细胞行为的一个重要调节因素。我们认为对CMA的刚度进行空间调整会成为一个有价值的研究工具,以此探讨CMA的基质刚度如何在2D支架或3D环境中影响细胞行为。”Shreiber说,“在发现CMA的热可逆性后,我们认为CMA可能会在细胞封装和细胞采集方面有一些有趣的应用。”因此罗格斯大学早已批准了非独家的专利技术CMA,同时作为可调基质底物和生物墨水进入市场。“我们十分兴奋地期待着其他工程师和科学家们使用我们的材料。”

“我很乐意解释为,使CMA具备热可逆性是我们的研究目标,”Shreiber总结说,“但这确实是一个意外的发现。”

 

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