丝素蛋白水凝胶支架4D打印在组织工程中的应用

供稿人：曹阳 导师：田小永
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

组织工程是将种子细胞，支架材料和生物活性因子通过有效方法结合，在体外或体内构建组织或器官的新兴学科。丝素蛋白作为一种天然材料，可被加工成水凝胶、纳米纤维、多孔支架等不同形态，其具有良好的力学性能、生物相容性和可调降解速率，降解产物无毒无害，得到了科研人员的广泛研究。采用形状记忆材料通过4D打印成型复杂结构，在植入体内后自动变形为支架结构，可极大程度降低治疗过程中病患所受痛苦。2020年韩国翰林大学开展了一项研究，采用丝素蛋白水凝胶4D生物打印制备了气管支架，动物实验表明该支架能够较好的与宿主器官整合在一起，在缓慢降解的过程中诱导组织和软骨生长，具有较大的临床应用价值。

研究人员从兔耳软骨中分离出软骨细胞，在培养基中培养三周后，采用特制的光固化生物墨水（甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白，Sli-MA）通过4D DLP技术打印制备了实验所需气管支架。下图比较了4D DLP打印与普通DLP打印的区别与优势。

图1 普通DLP打印与4D DLP打印性能对比 （a）DLP打印过程示意图，（b）4D DLP打印技术主要优势：可同时打印具有两种或以上材料类型的曲面结构，（c）4D DLP打印速度相较普通DLP打印而言更快。

打印完成后，研究人员对支架变形效果进行了测试。试验表明，支架在浸入溶液后，能够在60分钟内缓慢完成变形为预设形状，通过控制溶液的盐离子浓度可以改变支架弯曲的曲率。随后研究人员对支架进行了为期两周的体外模拟培育试验，结果如图2所示，大量软骨细胞和胶原蛋白附着在支架表面，说明支架对相关组织和细胞能够起到较好的生长诱导作用。最终，研究人员采用试验用白兔完成了支架的气管内移植，证明了支架对气管康复具有明显促进作用。下图为支架体外培育实验结果图。

图2 支架体外模拟培育实验（上下分别为1周、2周时细胞组织的生长情况，通过染色观察得知，随培养时间的延长，软骨细胞和胶原蛋白区域显著增加）
综合目前研究来看，丝素蛋白水凝胶材料在组织工程临床应用中前景广阔，通过4D打印成型个性化精细结构，能满足各类患者人群的需求，实现医疗定制化。将两者结合，采用生物降解材料打印完整支架并移植入病患位置，能够有效解决疾病或其他因素导致的组织缺损问题，为较大范围组织缺损和损伤提供了新思路，具有重要意义。

参考文献：
Kim S H, Seo Y B, Yeon Y K, et al. 4D-bioprinted silk hydrogels for tissue engineering[J]. Biomaterials, 2020,260:120281.