哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授《先进材料》：双水相乳液生物墨水-3D生物打印构建多孔水凝胶的最新研究

【引言】

生物3D打印技术以其快速、精准、个性化等优点，可构建模拟人体组织的细胞负载水凝胶模块，在生物医学中应用前景广泛。目前报道的生物墨水打印成型后，相互交联形成密集的网络，往往阻碍了营养物质的传输和代谢产物的交换，并且其网络本身也会在一定程度上直接限制封装在生物材料内细胞的伸展。多孔水凝胶由于其内部存在可作为生物代谢、物质传输、及细胞伸展的大量孔道，而被认为是提高细胞活性以及促进细胞生长和增殖的一种最佳的生物材料。开发可打印的3D生物墨水需要同时满足合适的生物相容性、力学强度、打印可塑性等要求，并且保持多孔结构的稳定性，因此目前仍面临诸多挑战。

【成果简介】

哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授课题组制备出一种双水相乳液生物打印墨水，可实现细胞负载多孔水凝胶的直接快速打印成型。该生物墨水是由负载细胞的明胶甲基丙烯酰（GelMA）水溶液和聚环氧乙烷（PEO）水溶液两个不混溶的相组成的双水相乳液。通过降低温度的方法调节该生物墨水的粘度使之适合挤出打印，同时通过光交联GelMA相，实现水凝胶的快速成型。将此水凝胶置于细胞培养液中培养可快速除去PEO相，形成具有连通孔结构的细胞负载水凝胶模块。这项研究为构建细胞负载多孔水凝胶模块，实现人体组织或器官的模拟提供了新的方法，也得到了国际同行的认可，并于近日在国际材料领域顶级期刊Advanced Materials上发表。该研究成果题为“Aqueous Two-Phase Emulsion Bioink-Enabled 3D Bioprinting of Porous Hydrogels”。哈佛大学博士后研究员应国量博士和姜楠博士为该论文的共同第一作者。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805460

【图文简介】

图1. 3D生物打印示意图

(a)多孔水凝胶; (b)非多孔水凝胶（标准水凝胶）

图2. GelMA-PEO双水相乳液的制备和表征

(a)PEO浓度对乳液液滴尺寸的影响；(b) GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 体积比对乳液液滴尺寸的影响，红色代表水凝胶，黑色代表连通孔；(c) 不同GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 体积比条件下，多孔水凝胶的孔径分布；(d)多孔水凝胶的激光扫描共聚焦显微3D重构图；(e)多孔水凝胶的扫描电镜图；(f)多孔水凝胶的杨氏模量；(g)不同GelMA (10%) 和 PEO (1.6%) 体积比的乳液，温度对乳液粘度的影响。

图3. 细胞在多孔水凝胶中的生长(5% GelMA标准水凝胶作为对照组)

(a)死活染色试验的荧光图表征人肝癌细胞HepG2的1、3、7天活性. 绿色代表活细胞，红色代表死细胞，柱状图为细胞活性的定量分析; (b) PrestoBlue^® 试验定量表征人脐静脉内皮细胞（HUVECs）在1、3、7天的增殖; (c) NIH / 3T3小鼠胚胎成纤维细胞（fibroblast）在标准水凝胶和多孔水凝胶内的细胞体积; (d) NIH / 3T3小鼠胚胎成纤维细胞分别在标准水凝胶和多孔水凝胶中生长7天的细胞形态激光共聚焦显微图。

图4. 双水相乳液生物墨水的挤出打印

(a)设计的模型; (b)3D打印的单层结构显微图; (c)打印的多层结构光学图; (d) 人脐静脉内皮细胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纤维细胞在标准水凝胶和多孔水凝胶内生长7天的细胞形态荧光显微图。

图5. 数字微镜（DMD）立体光刻打印

(a)DMD立体光刻打印的原理示意图; (b)标准水凝胶和多孔水凝胶的生物打印光学图; (c)人肝癌细胞、人脐静脉内皮细胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纤维细胞在标准水凝胶以及多孔水凝胶内的生长7天细胞形态的荧光显微图。

【小结】

综上所述，相较于标准水凝胶，三种不同细胞（人肝癌细胞，人脐静脉内皮细胞和NIH / 3T3小鼠胚胎成纤维细胞）在多孔水凝胶中的细胞活性、细胞生长形态以及增殖方面均得到极大的优化。新型双水相乳液生物墨水为3D生物打印构建多孔水凝胶提供了一个强大而通用的平台。该平台可用于个性化设计多孔水凝胶结构组织，适用于组织工程、再生医学和个性化治疗等各种应用。

【作者简介】

Yu Shrike Zhang博士

Yu Shrike Zhang博士于美国哈佛大学医学院担任教职，2013年Georgia Institute of Technology生物医学工程系取得博士学位，2013年至2016年在哈佛大学医学院下属布莱根和妇女医院生物医学工程部从事博士后研究，2016年4月起担任讲师及副生物医学工程师，并于2018年升任助理教授；研究领域包括生物制造及器官芯片的平台搭建与应用研究，在相关领域发表论文140余篇，包括以第一或通讯作者发表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超过25篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/Stat News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、《科技日报》等报道，曾获得多种国际和地区性奖项40余项。

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