3D生物打印制备组织工程支架的研究进展_王曙东.pdf

第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.202107053113D 生物打印制备组织工程支架的研究进展王曙东1,2,3,马 倩1,王 可1,谷元慧1(1.盐城工业职业技术学院 纺织服装学院,江苏 盐城 224005;2.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215002;3.江苏金麦穗新能源科技股份有限公司,江苏 盐城 224000)摘 要 为进一步推动 3D 生物打印技术在组织工程支架领域的应用,从当前 3D 生物打印方法的优劣及相关材料的固化成形机制出发,详细综述了国内外 3D 生物打印制备组织工程支架的研究进展。针对 3D 生物打印技术,主要介绍了喷墨、挤出、激光辅助和立体光刻等技术的原理、过程和优缺点;针对 3D 生物打印材料,主要介绍了聚合物和生物陶瓷等材料的特性、固化成形机制和适应范围;针对 3D 生物打印应用,主要介绍了 3D 生物打印在血管、骨、耳、心脏等功能性组织构建中的最新研究进展,指出生物墨水的开发及临床应用是其未来的发展方向。为进一步推动组织工程用 3D 生物打印技术的发展提供理论与实践参考。关键词 3D 生物打印;组织工程;生物材料;喷墨打印;挤出打印;激光辅助打印;立体光刻;医用纺织品中图分类号:TS 340.64 文献标志码:A 收稿日期:2021-07-15 修回日期:2022-01-24基金项目:江苏省自然科学基金面上项目(BK20201216);江苏高校自然科学基金面上项目(19KJD540001,21KJB540007);江苏高校“青蓝工程”培养对象项目(2018 NO.12,2019 NO.3)第一作者:王曙东(1983),男,教授,博士。主要研究方向为生物医用材料。E-mail:。组织工程是一个跨学科的拥有巨大潜力的新兴领域,旨在通过工程学和生命科学等学科的融合创新,解决组织功能的修复、维持、改善和替换等问题。目前,将功能细胞种植到具有良好生物相容性和降解性的支架内,在体外培养一段时间,待其成熟后植入体内,是进行组织缺损部位修复或重建的主要方式1。为成功修复和再生组织,相应支架应具有三维、多孔网络结构,与所修复组织有一致的生物力学性能,为细胞增殖、营养物质和代谢废物传递提供三维空间,并形成结构稳定、可移植的细胞-支架复合体。研究2表明,支架的三维孔径尺寸、孔隙率和生物力学等性能与其制备方法紧密相关。目前,传统上常采用静电纺丝、溶剂浇筑-粒子沥滤、相分离和气体发泡等方法制备结构较为简单的支架,但是这些方法也存在一定的局限性,如静电纺丝制备的支架力学性能普遍较低且大都会使用具有细胞毒性的有机溶剂,溶剂浇筑-粒子沥滤制备的支架厚度普遍不高,相分离制备过程较长且需要消耗大量的能量,难以控制孔径的尺寸和连通性3-5。为解决以上问题,近年来研究者们将基于“分层制造,逐层叠加”原理的 3D 打印技术用于组织工程领域,为支架的制备提供新的解决方案6。与工业用 3D 打印技术不同的是,3D 生物打印需要将细胞和生物材料同步完成精确堆砌,因此,3D 生物打印有着特殊的技术和材料要求7。针对 3D 生物打印的特点,本文从组织工程用 3D 生物打印技术、材料和应用进展等方面进行了综述,为进一步推动组织工程用 3D 生物打印技术的发展以及相关领域的研究提供参考。1 3D 生物打印技术 3D 生物打印是一种以计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)等医学成像数据建立的三维模型为图纸,以活细胞和生物材料为生物墨水,通过层层精确堆砌制备 3D 支架的技术。自 2006 年 Mironov等7首次较为系统地对 3D 生物打印概念进行阐述以来,3D 生物打印技术得到了快速发展。目前,3D 生物打印技术主要包括喷墨(inkjet)、挤出(extrusion)、激光辅助(laser-assisted)和立体光刻(stereo lithography)4 种7-9。1.1 喷墨生物打印 喷墨生物打印是基于现有商用喷墨打印机的原理,最早开发的用生物墨水代替普通墨水、移动平台代替普通纸张的 3D 生物打印技术10。喷墨生物打印主要包括热加热器法和压电致动器法 2 种。热加热器法通过热量在打印机喷嘴处产生气泡核,并将第 3 期王曙东 等:3D 生物打印制备组织工程支架的研究进展 墨滴喷出喷嘴。传统的商用喷墨打印机加热温度一般为 200300,会破坏细胞活性,因此喷墨生物打印一般采用 4045 的加热温度。压电致动器法通过压电效应产生压强将生物墨水喷出喷嘴,与热加热器法相比,具有液滴大小可控等优点,但是细胞会在一定程度上受到物理冲击的影响 10-12。喷墨生物打印具有成本低、速度快(10 000 滴/s)、细胞和生物材料浓度可调等优点,但是喷嘴喷射存在溅射现象,因此精确度相对较低(约 50 m)。此外,为避免喷嘴堵塞,该方法必须采用浓度较低的液体材料,且对材料的黏度(3.512 mPas)和细胞浓度(小于 1106 个/mL)要求较高。另外,由于喷墨生物打印技术依赖于微小液滴的形成,因此要实现支架的快速制备,往往需要借助大量喷嘴同时打印,而这又会在液滴间形成不连续区域,影响支架的力学性能,因此喷墨生物打印支架一般尺寸较小。为避免细胞在打印后干燥死亡,还需将细胞封装在高度水合的聚合物中10-12。1.2 挤出生物打印 挤出生物打印工作是基于现有 3D 打印技术原理,用生物材料代替普通熔融打印材料,通过气压或机械力将生物材料从喷嘴以圆柱形连续细丝形式挤出,并借助交联固化成型原理制备 3D 支架的技术。通过调整喷嘴和压力大小,可实现不同的打印分辨率(2001 000 m)和打印速度(1050 m/s)。与喷墨生物打印相比,挤出生物打印可使用更高黏度(大于 6107 mPas)的生物材料和更高浓度(大于1108个/mL)的细胞,已成为 3D 生物打印最常用的方法13。挤出生物打印具有技术门槛低,可快速打印大尺寸(厘米级)支架等优点,但其精确度较低(大于100 m),高黏度流体的剪切应力也会导致细胞变形,引起细胞死亡(死亡率 20%60%)。此外,高黏度的生物材料也极易堵塞针头14。综上,挤出生物打印的研究重点是如何实现材料可打印性和生物活性之间的平衡。将具有良好流变学和力学性能的生物材料(如聚乙二醇、海藻酸钠等)和具有良好生物学性能的天然材料(如明胶、丝素蛋白和壳聚糖等)复合,这个问题已被证实可有效解决15-17。1.3 激光辅助生物打印 激光辅助生物打印是基于激光诱导前向转移(LIFT)原理,通过覆盖金、钛或铂层的透明玻璃或石英(能量吸收层)吸收激光能量,将生物材料转移至接收基底的技术14。与喷墨和挤出生物打印相比,激光辅助生物打印不需使用喷嘴,因此不存在喷嘴堵塞的问题,可打印不同黏度(1300 mPas)的生物材料和更高浓度(可达 1108 个/mL)的细胞,且精确度相对较高(1050 m)。此外,由于能量吸收层的存在,激光和生物材料不直接接触,且细胞不受剪切,因此可实现较高的细胞存活率(大于95%),但是,该方法所需设备和材料价格较高,目前应用较少14,18。1.4 立体光刻生物打印 立体光刻生物打印是基于光聚合固化成型原理,使用光在空间上将充满细胞的生物材料固化为3D 支架的技术,其打印过程是首先将紫外光(UV)或可见光聚集到二维平面中使生物材料局部固化,然后借助打印平台的垂直移动,实现逐层固化19。立体光刻生物打印可在 5 300 m 范围内精确打印,且打印过程中不使用喷嘴,因此不存在喷嘴堵塞和喷嘴对细胞的剪切等问题,细胞存活率较高(大于 95%);但是光刻生物打印必须使用可光交联的生物材料,且一般需要加入一定量的具有细胞毒性的光引发剂(PI),因此需要严格控制光引发剂的浓度19-20。目前,3D 生物打印仍需解决速度、精度、细胞存活率与活性等问题,尤其是对于喷墨和挤出生物打印,细胞会受到喷嘴剪切,如何兼顾细胞活性(要求喷嘴尺寸较大)和打印精度(要求喷嘴尺寸较小)是其面临的主要挑战。2 3D 生物打印材料 选择合适的生物材料是获得理想 3D 生物打印支架的关键。用于 3D 生物打印的材料不仅应具有良好的力学性能,能够打印成具有较高精度的 3D支架,而且应具有良好的生物性能,能够满足细胞的黏附和增殖要求。目前,3D 生物打印材料主要包括聚合物、生物陶瓷及其复合材料这 3 类19-21。2.1 聚合物 聚合物具有来源范围广、性能可控、易于加工等优点,是 3D 生物打印材料的主要来源。按照来源分,可用于 3D 生物打印的聚合物包括天然聚合物和人工合成聚合物 2 类19-21。2.1.1 天然聚合物 天然聚合物是指来源于动植物、人体组织或由微生物合成的聚合物,其化学特性与细胞外基质(ECM)接近,具有较高的生物相容性。目前,明胶、丝素蛋白、胶原蛋白等蛋白质和海藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖、透明质酸、纳米纤维素等多糖已被广泛应用于 3D 生物打印19-21。明胶是动物皮、骨等结缔组织中的胶原部分水112 纺织学报第 44 卷解后的蛋白质,具有热可逆性(加热至 50 以上呈溶液状态,冷却至 3540 呈凝胶状态),但是明胶力学性能较低,不稳定、易碎。为提高明胶的力学性能,常用甲基丙烯酸酐(MA)对明胶进行乙酰基化改性。在光引发剂(如 Irgacure 2959)存在和紫外光照射条件下,甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)可以光交联,具有良好的成形性能,因此,GelMA 近年来已成为 3D 生物打印中常用的材料。需要注意的是,GelMA 使用过程中需要严格控制光引发剂的浓度和紫外光强度和照射时间,以免影响细胞活性22。丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子蛋白质,能够促进血管生成,具有良好的凝胶特性,但其力学性能和可打印性较差23。为改善丝素蛋白的性能,研究人员尝试采用甲基丙烯酸酐对丝素蛋白进行乙酰基化改性,但效果不理想,这是因为改性过程中产生的副产物甲基丙烯酸降低了丝素蛋白溶液的 pH 值,造成丝素蛋白游离氨基的电离,阻碍丝素蛋白氨基与甲基丙烯酸酐上羧基的反应,同时使羧基质子化,降低了丝素蛋白的亲水性,使丝素蛋白快速结晶。为克服这个缺点,近年来研究人员采用甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)对丝素进行改性,成功制备了可用于 3D 生物打印的乙酰基化改性丝素蛋白(Sil-MA)。这主要是因为甲基丙烯酸缩水甘油酯与丝素蛋白的反应机制主要为过环氧化物开环,因此不产生酸性副产物24。胶原蛋白是广泛存在于动物的皮、骨等结缔组织中的一种起结构作用的蛋白质。在生理条件(中性 pH 值和 37)下,胶原蛋白分子可形成凝胶,因此胶原蛋白可应用于 3D 生物打印,但是,胶原蛋白凝胶速率较慢、力学性能较差,可打印浓度较低(小于 10 mg/mL),限制了其在 3D 生物打印领域的应用。为改善这个问题,近年来有研究者25-26开发了一种悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)技术,即首先将胶原蛋白打印在支持性水凝胶(如明胶)内部,然后在打印完成后将凝胶从室温加热至体温使凝胶融化,在不破坏胶原蛋白或细胞打印结构的前提下移除支持凝胶,从而使低浓度胶原蛋白溶液打印复杂结构 3D 支架(如心脏)成为可能。海藻酸盐是从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种阴离子多糖,其与 ECM 中的糖胺聚糖类似,具有良好的生物相容性,价格低廉,能够在碳酸钙、氯化钙和硫酸钙等含 Ca2+的溶液中快速凝胶,且具有广泛可调的黏度,因此被广泛用作 3D 生物打印材料,但是,海藻酸盐对细胞的黏附性较差,为了解决这个问题常将海藻酸盐与明胶、丝素蛋白等材料复合使用16,27。壳聚糖是自然界中广泛存在的天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基后的产物,具有良好的生物降解性和抗菌抑菌功能,在皮肤和骨组织工程领域具有广泛应用。壳聚糖可溶于酸性溶液,并能通过离子或共价键交联,但凝胶速度慢(一般需要 10 min 左右),且力学性能较差,因此在 3D 生物打印时常使用较高黏度的壳