《Materials Horizons》综述：点击化学让生物3D打印更安全

来源： EngineeringForLife

生物墨水被用于制造含有细胞和大分子的3D支架，这些细胞和分子可应用于再生医学。为了能够成功制备生物墨水，采用了使用交联剂的策略。然而，其中一些策略可能会损害生物墨水的细胞相容性。为了规避这一挑战，有人提议采用点击化学技术。点击化学可以在不存在有问题的交联剂的情况下制备调节良好的生物墨水，同时确保生物墨水有利的凝胶化速率、降解速率和细胞活力特性不受影响。

近日，来自信阳师范大学的聂磊、金陵工业大学的邓亚玲联合布鲁塞尔自由大学的Amin Shavandi团队研究探索了在特定的生物打印技术中使用不同点击化学物质的潜力。还确定了使用点击化学生产的主要生物墨水，并讨论了现有的挑战和未来的趋势。预计这篇综述将为生物工程师提供重要资源，并为未来选择特定生物墨水功能的首选点击化学物质奠定基础，从而对组织工程领域具有宝贵价值。相关论文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在线发表于杂志《Materials Horizons》上。

点击化学受到自然界生物分子合成的启发，专注于化学反应的效率、自发性、选择性和模块性。它可以在短时间内通过小单元的剪接或动态组合来合成各种分子。点击化学反应是指在严格的技术要求控制下，在温和的反应条件下，利用活性反应物“连接”基于C-X-C键的分子物质或组分的化学技术。它具有原料易得、对水或氧气不敏感、反应速度快、产物易于分离和产率高等优点。3D生物打印领域中常见的点击化学反应主要包括：叠氮炔环加成反应、菌株促进叠氮炔环加成、Diels-Alder反应、硫醇烯反应、硫醇-迈克尔反应、肟点击反应和醛酰肼反应（图1）。

图1 3D生物打印中使用的点击化学总结

挤出生物打印技术对细胞和材料具有广泛的选择性，能够以高细胞密度分散高粘性生物墨水。挤出生物打印系统通过喷嘴连续挤压生物墨水，形成逐层制造的3D结构（图2）。立体光刻（SLA）生物打印是一种无喷嘴的3D打印技术，通过光引发实现分层固化。基于紫外线光敏材料的聚合原理，将液体光敏聚合物选择性地逐层固化，自下而上建立三维模型（图3）。喷墨3D打印作为一种非接触式打印形式，也是生物3D打印中最常用的方法。其工作原理是超声波或加热驱动生物墨水液滴喷射到平台上的指定位置，并最终通过逐层形成完整的图案（图4）。

图2 可光点击生物墨水的设计及其细胞嵌入的微观结构

图3 基于硫醇烯光化学的立体光刻及其力学行为

图4 喷墨3D打印生物基弹性体，利用光引发的硫醇烯点击化学

生物墨水是指水凝胶形式的生物材料溶液或各种生物材料和细胞的混合物。所需的生物墨水应满足三个基本要求，即可印刷性、良好的结构完整性和印刷后的稳定性以及适当的细胞相容性。作者重点介绍了用于生物打印的典型生物墨水的详细特征和化学结构（表1和表2）。

表1 用于3D打印的典型生物墨水的详细特性（部分）

表2 用于点击反应的功能化生物墨水化学结构（部分）

透明质酸（HA）是一种天然酸性糖胺聚糖，具有良好的生物相容性和良好的亲水性。然而，纯HA由于其粘性液体行为和缺乏维持三维结构的凝胶化能力而不能形成满足多种条件的成熟生物墨水。通过用巯基或烯基修饰HA可以有效地弥补HA的不足。这可以解决细胞封装、生物打印、微细胞毒性等问题（图5）。

图5 透明质酸生物墨水栓系转化生长因子β1的交联机理及表征

明胶是胶原蛋白部分水解的天然聚合物，有利于促进细胞粘附和增殖。由于明胶具有温度敏感性和热可逆性，在生物打印过程中经常用作牺牲材料。在印刷结构完成后，将其溶解以获得所需的产品。硫醇烯修饰明胶生物墨水具有多功能性和可控性，能够打印所需的几何形状和结构（图6）。

图6 硫醇烯化学明胶降冰片烯基生物墨水和生物打印

海藻酸盐溶液具有良好的流动性，由于其在生理环境中的快速凝胶化性能，通常作为生物墨水用于喷墨打印。然而，其低的细胞粘附性和较差的成型性能影响了所得3D结构的稳定性、形状保真度和打印精度。为了解决这个问题，可以通过用功能分子修饰藻酸盐或与其他大分子混合来改善藻酸盐生物墨水的物理化学性质。



纤维素是一种线性多糖，其分子结构富含羟基。未经修饰的纤维素在熔化和流动之前将经历热分解，从而限制了其在3D打印中的应用。然而，官能化纤维素可用于制备生物墨水（图7）。

图7 CMC、HEC、MC.A.CMC-NB的化学结构、改性反应、交联机理及其通过硫醇-烯反应的交联机理

壳聚糖由葡糖胺和N-乙酰葡糖胺以β（1-4）的方式连接而成，是甲壳素脱乙酰后的产物。3D打印的壳聚糖水凝胶表现出较差的机械性能和缓慢的凝胶化性能，为了解决这个问题，可以同时进行挤出沉积和丙烯酸硫醇光聚合来制备快速凝胶。

点击化学反应为生物打印和生物墨水提供了一些优势，包括（1）简单温和的反应条件，避免有毒交联剂对细胞的损伤，在室温或生理温度下促进凝胶化，并根据应用要求调整机械性能和降解速率。（2）所得到的水凝胶也具有均匀的交联网络。（3）印刷结构的印刷精度和形状保真度得以保持和增强。（4）包裹在用点击化学反应修饰的生物墨水中的细胞表现出良好的细胞活力、扩散和增殖。因此，点击化学的上述优势为组织工程和再生医学的发展和应用提供了支持。

然而，也存在必须解决的挑战。（1）单一生物墨水难以满足生物打印的各种要求，如机械性能、交联密度、溶胀率、分辨率等。这些因素对打印结构的形状稳定性、细胞包封、扩散和增殖至关重要。因此，混合生物墨水对印刷水凝胶性能的影响需要进一步研究。（2）应特别注意在反应后完全去除有毒的催化剂或引发剂，避免其对生物组织的伤害，并获得更高质量和高安全性的产品。（3）常见的天然水凝胶材料可能会对点击化学带来一些不相容性挑战，因此可能需要引入可能不符合安全法规的替代反应物。（4）使用多次点击反应制备结构时，发生不可预测的副反应的风险增加，这可能会影响整个过程。（5）有必要在改进点击化学和了解安全限制方面开展更多工作，因为这种改进将促进3D生物打印的进一步发展，并加速点击化学在组织工程和再生医学应用的临床试验中的应用。

文章来源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J