上海硅酸盐所在无机生物墨水多细胞3D打印方面取得系列进展

来源：中科院上海硅酸盐所

细胞3D打印在复杂组织再生和器官再造中具有广阔的应用前景。作为细胞的载体，生物墨水材料的设计至关重要。然而，传统的生物墨水通常使用纯水凝胶材料和单一种类的组织细胞，对于复杂组织和器官再生存在着再生活性和打印性能不足等问题，从而限制了生物3D打印构建体的再生功能。

近年来，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员带领的研究团队通过设计基于无机生物活性材料的生物墨水，在多细胞生物3D打印构建体用于复杂组织再生方面开展了系列研究。该研究团队开发了多种不同功能的无机生物墨水，并利用多种细胞3D打印技术构建了用于骨-软骨、血管化皮肤和神经化骨再生的仿生多细胞支架，取得了系列进展。

在骨-软骨再生方面，该团队基于锂、镁、硅元素对骨组织和软骨组织的双向生物活性，开发了一种基于Li-Mg-Si（LMS）生物陶瓷的生物墨水。在此基础上，利用多细胞生物3D打印技术将软骨细胞和骨髓间充质干细胞分层打印，构建了仿生骨-软骨组织的双层多细胞支架。含LMS生物陶瓷的生物墨水不仅可以仿生软骨下骨中的无机成分，而且还能通过释放生物活性离子诱导不同细胞朝着特定的方向分化，从而同时促进了软骨和软骨下骨的一体化再生。相关研究成果发表在Materials Today期刊。该论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生秦宸，通讯作者为吴成铁研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.016

开发了基于LMS生物陶瓷的生物墨水，利用多细胞3D打印技术制备仿生骨-软骨双层多细胞支架促进骨-软骨组织再生

在血管化皮肤再生方面，该团队基于锶、硅元素对血管再生和胶原沉积的有益作用，开发了一种基于硅酸锶（SS）微米柱的生物墨水。在此基础上，打印了含有成纤维细胞和血管内皮细胞分层分布的多细胞支架，以模拟含有血管网络的皮肤的生理结构。基于SS生物墨水的优异生物活性，仿生多细胞支架能够显著促进细胞增殖和成血管化。此外，研究团队通过皮下植入、急性创面和糖尿病难愈创面三种动物模型证实了该支架可以作为皮肤替代物有效促进皮肤组织的再生。相关研究成果发表在Advanced Healthcare Materials期刊。该论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生马景阁，通讯作者为吴成铁研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202100523

基于含硅酸锶微米柱的生物墨水，利用多细胞3D打印技术制备仿生皮肤替代物促进急/慢性创面皮肤再生

近日，该研究团队基于无机生物墨水多细胞3D打印技术，在神经化骨再生方面取得重要进展。骨骼是一个高度神经支配的复杂器官组织，骨内神经纤维通过分泌多种神经递质（CGRP、SP、VIP等）和神经营养因子（NGF、BDNF、GDNF等）等积极参与骨骼的生长发育与再生修复。先前的研究表明，去除神经支配的骨组织表现出延迟愈合的特性，进一步证实了骨神经纤维对骨再生的重要调控作用。因此，通过促进骨缺损处的神经支配，有望进一步加速骨修复的进程以及提高骨再生的质量。由于骨组织与神经纤维具有显著不同的生理特性，同时实现骨和骨内神经纤维的再生目前仍旧是一个巨大的挑战，研究团队提出利用无机生物墨水多细胞生物3D打印技术构建了含骨髓间充质干细胞和神经细胞（雪旺细胞）的多细胞支架，该支架具有同时促进骨再生以及诱导宿主神经支配的作用，进而实现了高效的神经化骨再生。

该团队首先使用水热法合成形貌良好的无机硅酸钙纳米线（CS），然后将其均匀混合到甲基丙烯酰化明胶水凝胶（GelMA）中得到无机-有机复合生物墨水，接着将其与骨髓间充质干细胞和雪旺细胞结合，利用多通道生物3D打印设备制备具有上下层结构的仿生多细胞神经-骨复合构建体。研究发现CS不仅可以增强GelMA的可打印性使得打印的支架结构更加规整，还可以提高生物墨水的机械性能，有利于骨髓间充质干细胞的成骨分化。此外，CS可以通过缓释钙、硅离子来构建一种适宜的离子微环境来调控细胞行为。CS不仅可以促进雪旺细胞成熟及髓鞘化相关基因和蛋白的表达，还可以同时促进骨髓间充质干细胞成骨相关基因和蛋白的表达以及钙结节的形成。进一步地，体内大鼠颅骨损伤动物实验结果表明这种基于无机生物墨水的仿生多细胞支架可以有效促进新生骨的形成、骨整合、诱导宿主神经纤维长入，从而实现了高效的神经化骨再生。该研究将功能性无机生物墨水与多细胞生物3D打印技术相结合，为实现复杂的神经化组织再生提供了一种潜在的策略。该研究成果以“Calcium silicate nanowires-containing multicellular bioinks for 3D bioprinting of neural-bone constructs”为题发表在Nano Today上(Nano Today 46(2022)101584)，并申请专利一项（授权公告号:CN114306731B）。论文第一作者为上海硅酸盐所2019级博士生张洪健，通讯作者为吴成铁研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101584

相关研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、上海市科委等基金的支持。

含有生物活性硅酸钙纳米线的生物墨水与雪旺细胞和骨髓间充质干细胞相结合，通过多细胞生物3D打印技术制备神经-骨复合构建体用于神经化骨再生

体内大鼠颅骨实验结果表明生物3D打印神经-骨构建体可以有效促进新生骨的形成、骨整合、诱导宿主神经纤维长入，从而实现了神经化骨再生