Advanced Materials丨3D打印高度互连孔隙的多孔水凝胶支架用于组织工程

PART1

研究背景

三维生物打印技术为组织工程和再生医学提供了强大的工具，能够制造出模拟人体组织结构的细胞负载支架。然而，传统生物墨水在固化过程中形成的致密生物材料网络往往限制了细胞的扩散、迁移和增殖。因此，开发具有多孔结构的生物墨水以促进细胞活性和组织功能化是一个重要的研究方向。本研究提出了一种基于水相两相乳液生物墨水的3D生物打印方法，通过结合明胶甲基丙烯酰（GelMA）和聚乙二醇（PEO）两种水溶性聚合物，实现了具有高度互连孔隙的多孔水凝胶结构的打印。这种方法不仅提高了细胞的活性和增殖能力，还展示了在组织工程和个性化医疗中的广泛应用潜力。

PART2

研究结果

1. 水相两相乳液生物墨水的制备与表征

研究者通过混合GelMA和PEO的水溶液制备了水相两相乳液生物墨水。这种乳液由分散在GelMA连续相中的PEO液滴组成，无需添加表面活性剂、颗粒或有机溶剂。通过调整PEO浓度和GelMA与PEO的体积比，研究者优化了乳液的稳定性、孔隙大小和机械性能。实验结果表明，当PEO浓度为1.6%且GelMA与PEO的体积比为1:1时，乳液的孔隙大小分布均匀，平均孔径为22.7 ± 5.5 µm，且具有良好的机械性能和打印性（图2）。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦显微镜对形成的多孔水凝胶进行了表征，证实了孔隙的互连性和大小分布（图2e和图2d）。

2. 多孔水凝胶的细胞相容性与生物活性

为了评估多孔水凝胶的生物相容性，研究者将人类肝癌细胞（HepG2）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和NIH/3T3小鼠胚胎成纤维细胞封装在多孔水凝胶中，并与标准GelMA水凝胶进行对比。实验结果显示，封装在多孔水凝胶中的细胞表现出更高的活性、增殖能力和代谢活性。例如，HUVECs在多孔水凝胶中的增殖能力在第3天和第7天分别比标准水凝胶提高了3倍和4倍（图3b）。此外，细胞在多孔水凝胶中的扩散能力也显著增强，NIH/3T3成纤维细胞的体积在多孔水凝胶中比标准水凝胶中增加了3倍（图3c）。这些结果表明，多孔结构为细胞提供了更有利的生长环境，促进了细胞的活性和功能化。

3. 3D生物打印的多孔水凝胶结构

研究者利用优化后的水相两相乳液生物墨水，通过挤出式生物打印和数字微镜设备（DMD）光刻生物打印技术制造了多孔水凝胶结构。挤出式生物打印实验表明，乳液生物墨水能够在保持结构完整性的同时形成互连孔隙（图4）。DMD光刻生物打印则进一步验证了乳液生物墨水的多功能性，能够制造出具有复杂图案的多孔水凝胶结构（图5）。封装在这些3D打印多孔水凝胶中的细胞在培养7天后显示出更好的扩散和增殖能力，与标准水凝胶相比，细胞的活性和功能得到了显著提升。

4. 机械性能与流变学特性

为了确保多孔水凝胶在生物打印过程中的可操作性和机械稳定性，研究者对不同配方的GelMA-PEO乳液进行了机械性能和流变学特性测试。结果表明，随着PEO浓度的增加，水凝胶的杨氏模量从0.9 ± 0.3 kPa增加到1.4 ± 0.1 kPa（图2f）。此外，乳液的粘度随温度变化显著，且在较低温度下具有更高的粘度，这使得生物墨水能够在15°C下进行直接挤出式生物打印（图2g）。这些特性使得GelMA-PEO乳液生物墨水在生物打印过程中具有良好的可操作性和结构稳定性。

5. 多孔水凝胶的潜在应用

本研究开发的多孔水凝胶结构不仅在细胞活性和增殖方面表现出优越性，还展示了在组织工程和再生医学中的广泛应用潜力。例如，多孔结构能够促进细胞的氧气、营养物质和废物交换，提高细胞的活性和功能化。此外，通过调整乳液配方和生物打印参数，可以制造出具有不同孔隙大小和结构的水凝胶，以满足不同的组织工程需求。研究者还指出，通过进一步优化生物墨水配方和打印技术，可以开发出更复杂的组织模型，用于药物筛选和个性化治疗。

6. 结论

本研究成功开发了一种基于水相两相乳液的生物墨水，能够通过3D生物打印技术制造出具有高度互连孔隙的多孔水凝胶结构。这种多孔结构显著提高了细胞的活性、增殖能力和代谢活性，展示了在组织工程和再生医学中的巨大应用潜力。未来的研究将进一步优化生物墨水配方，探索其在不同组织类型中的应用，并开发出更复杂的组织模型，以推动个性化医疗的发展。