Adv Funct Mater：弹性PEG-PCL-DA水凝胶具有适合训练的3D生物打印软组织的潜力

近年来，3D生物打印已经成为制造复杂仿生组织结构的一种有前途的方法，可以精确控制细胞和生物材料的空间排列。特别是基于挤压的生物打印因其快速生产人体规模的组织和器官结构的能力而获得了极大的关注。虽然传统的3D打印技术在制造坚硬的生物材料支架方面取得了相当大的成功，但它们在促进细胞装载软组织的整合方面还存在不足。

水凝胶，如胶原蛋白，海藻酸盐，明胶，透明质酸，聚乙二醇（PEG），甲基丙烯酸凝胶（GelMA）等已用于生物打印软组织；然而，它们的脆弱性限制了它们作为功能性组织替代品的效用和对生理力量的适应性。成功制造功能性组织结构需要能够包裹活细胞、促进组织重塑、易于处理和响应生理力的材料。心脏瓣膜和动脉等组织经常受到循环机械载荷，这强调了软组织生物打印对弹性材料的需求。理想的材料应能迅速变形和反冲而无结构疲劳。

作者之前已经合成了一种高弹性的聚乙二醇和聚己内酯二丙烯酸酯（PEG-PCL-DA）水凝胶的三嵌段共聚物，具有在高机械应变下抵抗不可逆变形的卓越能力。单网水凝胶设计使得一步光引发制造软组织结构变得容易。然而，水凝胶前驱体溶液的低粘度阻碍了其在挤压系统中的3D打印能力。对于基于挤出的生物打印，生物打印材料的流变特性对最终3D结构的完整性和分辨率至关重要。

PEG-PCL-DA前驱体是一种低粘度牛顿流体，不适合打印3D特征，因为溶液本身不能提供结构支撑。为了提高其印刷性，α -环糊精（α-CD），一种广泛研究用于药物传递的生物相容性环寡糖，将被引入到聚合物溶液中，以改变其流变特性。一些α-CD可以螺纹到线性PEG链上，形成“项链状”轮烷。由于分子间的作用力，这些轮烷形成聚集体。这些分子间键可以在高剪切速率下被破坏，提高其可打印性。

此外，由于分子间力的物理交联将进一步增强水凝胶，提高其机械性能。另一个限制是PEG-PCL-DA水凝胶在生物条件下降解非常缓慢，因此不适合组织重塑。为了提高惰性水凝胶的生物活性和生物降解性，RGD和MMP敏感肽将通过巯基化学偶联到水凝胶上，促进细胞粘附、扩散，并通过细胞分泌的MMP降解水凝胶。

图片来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202313942

近日，来自美国东北大学的研究者们在Adv Funct Mater杂志上发表了题为“3D Bioprinting Highly Elastic PEG-PCL-DA Hydrogel for Soft Tissue Fabrication and Biomechanical Stimulation”的文章，该研究表明弹性水凝胶用于适合机械训练的3D生物打印软组织的潜力，同时具有适合手动处理和生物力学刺激的强大弹性特性。

3D生物打印是一种很有前途的技术，可以为组织工程制造定制的几何形状。然而，大多数生物可打印水凝胶都很脆弱，难以处理，不能模仿天然软弹性组织的力学行为。以聚乙二醇和聚己内酯（PCL） （PEG-PCL- da）的丙烯酸酯三嵌段共聚物为基础，研制了一种可见光交联、单网、弹性和生物相容性的水凝胶体系。为了使其应用于软组织的生物打印，对水凝胶系统的可打印性和生物可降解性进行了改进。此外，假设这种弹性材料可以更好地将脉动力传递给细胞，从而增强细胞在机械刺激下的反应。这一中心假设在一个特制的生物反应器中用平滑肌细胞（SMCs）在脉动力下培养的血管导管进行了测试。

生物活性PEG-PCL-DA水凝胶的制备

图片来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202313942

结果表明，PEG-PCL-DA水凝胶制备的血管导管在1 ~ 3hz频率的脉动压力下真实再现了快速拉伸和反冲的过程，诱发了SMC的收缩表型，核心收缩转录因子持续上调。总之，这项工作通过微调可打印性和生物降解性，展示了弹性水凝胶在软组织3D生物打印中的潜力，同时具有适合手动处理和生物力学刺激的强大弹性特性。

用2%和3%的α-CD对打印的人成纤维细胞进行活/死染色

图片来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202313942

综上所述，本研究成功实现了三个主要目标：1)开发适合生物3D打印的弹性水凝胶；2)通过整合粘附和mmp敏感肽来增强生物活性；3)证明弹性生物材料在脉动流动条件下促进收缩SMC表型的能力。这些发现对进一步开发用于软组织3D生物打印的弹性水凝胶具有重要意义。(生物谷 Bioon.com）

参考文献

Wenhan Lee et al. 3D Bioprinting Highly Elastic PEG-PCL-DA Hydrogel for Soft Tissue Fabrication and Biomechanical Stimulation. Adv Funct Mater. 2024 Jul 10;34(28):2313942. doi: 10.1002/adfm.202313942.