科学家成功发明一种用于三维生物打印的高弹性、生物可降解、单网络水凝胶

三维生物打印在组织工程和再生医学领域有广泛的应用前景，但是目前可用于三维生物打印的材料还比较有限，尤其是具有弹性且能模拟人体组织力学性能的生物打印材料。为了解决这个难题，美国德州大学阿灵顿分校生物工程系的洪奕教授和波士顿东北大学生物医学工程系的戴国豪教授领导的团队发明了一种可用于三维生物打印的弹性水凝胶，该水凝胶基于单网络高分子聚合物，具有高柔顺性和高弹性，且在蓝光照射下就可成胶。不同于以往的双网络高弹性水凝胶，该水凝胶具有单一网络结构和单一成胶激发因子（蓝光，可见光），因此大大简化了三维生物打印的过程。该研究成果于2018年2月16日以“Highly Elastic Biodegradable Single-Network Hydrogel for Cell Printing”为题目发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》杂志上，并入选ACS Editor’s Choice. 美国化学会(ACS) 每天从上百篇投稿中精选出一篇代表该领域最前沿的科学研究作为ACS编辑选择的文章进行亮点报道。博士生徐灿灿是该论文第一作者。

细胞打印已经被广泛应用于生物医学修复和再生领域，因为其能够构建复杂，精细的用于支持细胞生长分化的组织工程支架。并且细胞打印过程中，细胞悬液和生物材料均匀混合，制备得到的组织工程支架包含大量细胞均匀分散在支架中。在众多的应用于细胞打印的生物材料中，水凝胶得到广泛的关注，一方面是由于其良好的生物相容性，另一方面是其多样化的成胶条件（如温敏型水凝胶，离子交联型水凝胶和紫外光交联水凝胶）大大提高了细胞打印的可行性。传统的水凝胶材料例如透明质酸，明胶，海藻酸钠，聚乙烯醇（PEG），和甲基丙烯酰胺化的明胶（GelMA）大多缺乏力学强度和弹性。为了改善水凝胶的力学强度和弹性，之前大量报道了许多双网络甚至多网络的水凝胶体系。然而这些双网络甚至多网络的水凝胶的成胶过程往往涉及不止一种成胶因素，故而大大增加了细胞打印过程的复杂性。因此本论文设计了一种单一网络结构的水凝胶（PEG-PCL-DA）:基于一种生物可降解的三嵌段聚合物（PCL-PEG-PCL），两端用丙烯酰氯修饰。这种单网络结构的水凝胶在一种水溶性的，细胞相容性良好的可见光引发剂LAP 的作用下，在波长为395-405 nm的可见光照射下能够快速成胶。由于其良好的生物相容性，和极强的细胞打印可操作性，PEG-PCL-DA 可以和各种细胞悬液混合，在可见光的照射下，快速打印成不同的图案。具体的实验示意如图1所示。

图1：用于细胞打印的高弹性，生物可降解，单网络水凝胶的制备示意图。

PEG-PCL-DA水凝胶具有良好的拉伸，压缩和扭曲性能， 如图2所示。以不含有PCL的PEG-DA 水凝胶作为对照组，其在轻微拉伸，以及较大的压缩和扭曲变形下均会发生断裂或者破碎，无法在所施加的应力撤销以后恢复到原来的状态。PEG-PCL-DA 优秀的力学性能和弹性主要由于PCL嵌段之间的疏水作用可以起到分散外界应力的作用。

图2：PEG-PCL-DA 良好的拉伸，压缩以及扭曲性能。

此外，PEG-PCL-DA 水凝胶具有良好的细胞相容性，能够很好的支持小鼠成纤维细胞在水凝胶内的体外培养。多种人体细胞，包括新生儿肺成纤维细胞（neonatal human lung fibroblasts）, 人体脐带静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells）, 和人体大动脉平滑肌细胞（ human aortic smooth muscle cells）与PEG-PCL-DA溶液共混进行细胞打印。所得的细胞/材料 共混体系在体外培养7天以后仍然保持较高的细胞活性（图3）。该单网络水凝胶可以通过细胞打印的方式得到多种复杂的图案 (图3)。这种高弹性，单网络结构的生物可降解水凝胶能够极方便的适用于细胞打印且保持较高细胞存活率，为制备适用于生物打印的水凝胶提供了全新的思路。

图3：PEG-PCL-DA 水凝胶的细胞相容性和可打印性。