用于悬浮3D生物打印的逐步多交联生物墨水的开发及其促进全层皮肤缺损修复

来源： 高分子科学前沿

由创伤、烧伤、糖尿病等引起的全层皮肤缺损通常自愈缓慢，从而导致相关组织和器官的功能限制和运动障碍。自体皮肤移植作为治疗大规模皮肤缺损的最典型方法，通常存在供体不足和皮肤坏死等严重缺陷，这使得其治疗效果并不理想。近年来，采用3D生物打印技术制造的仿生皮肤支架引起了研究学者的广泛关注。其作为一种新兴的增材制造策略，通过计算机辅助设计可以将由生物材料、活细胞或生长因子组成的“生物墨水”精准沉积到空间预定义的位置上，从而构建具有多尺度复杂拓扑结构的个性化组织。然而，目前用于3D生物打印的生物墨水通常表现出一些局限性，例如打印精度低、机械性能及细胞相容性较差。因此，如何获得兼具仿生性和可打印性的生物墨水是3D生物打印中亟须解决的重要难题。

针对上述问题，南京工业大学材料科学与工程学院毛宏理教授和顾忠伟教授团队创新地提出通过逐步多交联策略实现温敏性生物墨水（巯基化Pluronic F127和甲基丙烯酸酐基透明质酸）的悬浮3D生物打印。具体而言，首先在低温条件下（4-20℃）水凝胶前驱体溶液通过迈克尔加成反应实现预交联，打印过程中在高温悬浮浴内（30-37℃）通过PPO链段的自组装实现二次交联，并在打印完成后通过光交联（硫醇-烯“点击”反应）进一步稳定水凝胶结构。这种独特的逐步交联机制可以保证温敏性生物墨水在不同打印阶段具有可调的粘度，使其能够打印出具有高形状保真度的复杂结构的同时保持细胞的生物活性。进一步的体内实验表明，载有细胞的打印水凝胶可以通过调节炎症、加速胶原沉积和血管生成，显著促进皮肤伤口修复并提高其愈合质量。综上，该研究所提出的逐步多交联策略对于加快多功能生物墨水的开发和拓宽3D打印的生物医学应用具有重要意义。该研究成果发表在国际重要刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上。(Stepwise Multi-Cross-Linking Bioink for 3D Embedded Bioprinting to Promote Full-Thickness Wound Healing. 2023, DOI: 10.1021/acsami.3c00688)。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省卓越博士后计划等基金的资助和支持。

图一：用于悬浮3D生物打印的逐步多交联温敏生物墨水的开发及使用载有细胞的打印水凝胶治疗全层皮肤缺损。

图二：生物墨水打印参数的优化。(A)粘温曲线。(B)剪切速率-粘度曲线。(C)生物墨水挤出细丝线宽的定量分析。（D）基于打印的孔结构（良好：正方形，边界清晰；正常：类圆形，边界模糊；不良：无定形，边界重叠）对HP7.5生物墨水的打印参数进行优化。(E)使用HP7.5生物墨水打印不同的几何形状。

图三：皮肤伤口愈合评估。(A)伤口代表性大观图。(B)伤口愈合示意图。(C)伤口闭合率的定量数据图。