德國維爾茨堡大學：凝膠 AGE 樹脂助力體積生物打印軟組織工程發(fā)展

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物制造領域，增材制造（AM）技術發(fā)展迅速，為生物制造帶來了新機遇，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)AM技術存在制造速度慢、分層偽影等問題，限制了復雜構建物的分辨率。光固化成型（VP）技術雖有一定優(yōu)勢，但目前用于體積生物打印（VBP）的樹脂仍存在局限，開發(fā)可用于VBP的新型樹脂成為該領域的一大挑戰(zhàn)。尤其是制造適用于軟組織工程的柔軟水凝膠，對光樹脂的粘度、光學透明度等要求苛刻，現(xiàn)有技術難以滿足 。  

來自德國維爾茨堡大學的Tomasz Jungst團隊開發(fā)了一種基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂，旨在滿足VBP的加工要求，并應用于軟組織工程。通過系統(tǒng)地改變前體濃度，成功制備出具有不同機械性能的水凝膠，其楊氏模量在0.2 - 1.0 kPa之間，適合脂肪組織培養(yǎng)。研究成果表明，這種新型樹脂能實現(xiàn)高吞吐量的VBP，為軟組織工程構建物的制造提供了新的解決方案，推動了生物制造領域的發(fā)展 。相關工作以“Flexible Allyl‐Modified Gelatin Photoclick Resin Tailored for Volumetric Bioprinting of Matrices for Soft Tissue Engineering”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

研究內(nèi)容
1. gelAGE 光點擊樹脂用于體積生物打印的原理及軟組織模擬研究
通過設計合成實驗和理論分析的方法，研究基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點擊樹脂在體積生物打�。╒BP）中的應用，以及該樹脂構建的基質(zhì)對軟組織模擬的適用性。結果表明，利用硫醇 - 烯交聯(lián)反應與四臂巰基化聚乙二醇（PEG4SH）結合，可制備出柔軟（0.2 - 1.0 kPa）且適用于 VBP 的樹脂，其模量與多種軟組織相似，為軟組織工程提供了新選擇。

圖1. 柔性烯丙基改性明膠光點擊樹脂的體積生物打印示意圖以及gelAGE配方的楊氏模量與軟組織的硬度匹配度

2. gelAGE基水凝膠的物理化學特性分析
采用溶脹分析、質(zhì)量損失測定和力學性能測試等實驗手段，研究不同濃度（2.75% 和 6%）gelAGE 基水凝膠的物理化學性質(zhì)。結果顯示，低濃度凝膠溶脹率更高、質(zhì)量損失趨勢不同，且兩者交聯(lián)密度有差異；力學測試表明，低濃度凝膠楊氏模量約 0.2 - 0.4 kPa，高濃度約 0.75 - 1.0 kPa，均符合脂肪組織力學范圍，適合脂肪細胞培養(yǎng)。

圖2. gelAGE基水凝膠物理化學表征

3. gelAGE基樹脂的流變特性研究
運用振蕩測量、溫度掃描、頻率掃描和旋轉(zhuǎn)測試等流變學方法，研究 gelAGE 基樹脂的流變特性和光固化過程。結果發(fā)現(xiàn)，該樹脂室溫下為液態(tài)便于操作，降溫形成物理凝膠，溫度掃描有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點，高濃度凝膠化更快；頻率掃描顯示模量穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)測試中高濃度樹脂粘度增長更明顯，光流變測試表明光照可快速引發(fā)交聯(lián)，滿足 VBP 對樹脂粘度和固化速度的要求。

圖3. gelAGE基樹脂的流變性質(zhì)檢測

4. gelAGE基樹脂體積打印的分辨率和結構成型能力探究
通過打印不同形狀和尺寸的3D結構，如S形細絲、空心籠、金字塔和分支結構等，并對其進行觀察和分析，研究gelAGE基樹脂的體積打印分辨率和成型能力。結果表明，該樹脂能實現(xiàn)約100μm的特征分辨率，可制造復雜結構，如自支撐結構、帶尖銳邊緣的結構和可灌注結構，為軟組織工程構建物的制造提供了可能。

圖4 基于gelAGE的不同形狀3D類似物的體積打印和打印分辨率評估

5. 脂肪來源間充質(zhì)干細胞在 gelAGE 基樹脂中的打印及分化研究
將脂肪來源的間充質(zhì)干細胞（ASC）負載于gelAGE基樹脂中進行體積生物打印，隨后進行成脂分化培養(yǎng)，通過活/死染色、油紅O染色和基因表達分析等方法，研究細胞在樹脂中的存活、分化情況。結果顯示，打印后細胞存活率高，培養(yǎng)14天后ASC成功分化為脂肪細胞，兩種不同濃度的gelAGE基樹脂均為成脂分化提供了有利環(huán)境。

圖5 脂肪源性基質(zhì)細胞（ASC）的體積生物打印和隨后的脂肪形成分化

圖6. 脂肪細胞的體積生物打印

研究結論
本研究開發(fā)出一種用于體積生物打�。╒BP）的新型 gelAGE 基光點擊樹脂，該樹脂可構建極軟（0.2 - 1.0 kPa）的水凝膠基質(zhì)，適用于脂肪干細胞（ASC）和分化脂肪細胞的 3D 培養(yǎng)。通過正交硫醇 - 烯點擊化學交聯(lián)策略，能在數(shù)十秒內(nèi)高通量制備 3D 細胞負載構建體和復雜無細胞結構。對兩種不同濃度的 gelAGE 基配方進行深入研究，明確了其物理化學和機械性能差異。該樹脂為 ASC 的成脂分化提供了有利微環(huán)境，且成功實現(xiàn)了高活力和功能良好的分化脂肪細胞的 VBP 打印。這些成果為脂肪生成的進一步研究和構建更復雜的脂肪組織模型奠定了基礎，有望拓展到其他軟組織工程領域。

挑戰(zhàn)與展望
但目前可用于 VBP 的樹脂種類有限，需開發(fā)更多功能化、高性能的樹脂以滿足不同組織工程需求。在打印過程中，如何進一步優(yōu)化工藝參數(shù)以提高打印精度和穩(wěn)定性，以及更好地控制細胞與材料的相互作用，仍是待解決的問題。未來，該技術有望與其他先進技術結合，構建更復雜、仿生的組織模型，推動軟組織工程的發(fā)展。例如，可探索其在構建具有血管化結構的脂肪組織方面的應用，以實現(xiàn)更接近真實組織的功能模擬，為臨床治療和藥物研發(fā)提供更有效的工具。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300977