3D生物打印脱细胞基质水凝胶的研究
3D 生物打印脱细胞基质水凝胶的研究
来源：华夏医学 作者：易平;刘畅
发布于：2020-04-24 共4135 字
细胞生物学课程论文（优选范文 8篇）之第七篇
摘要：细胞外基质(ECM)包含复杂的蛋白质环境和多种生长因子,为细胞提供机械、生物
物理和生物化学信号,具有组织器官特异性。器官衍生的脱细胞 ECM(dECM)是目前最具仿生生
物学的材料,这一特点使其在 3D 生物打印应用中成为热门材料。笔者总结了 dECM 水凝胶生物
墨水的制备及其基本打印参数;回顾了衍生自不同器官的 dECM 水凝胶生物墨水的应用,并概括
了用于评估这些生物墨水质量的表征方法;得到了制作优质的生物墨水取决于衍生的组织器
官、动物和脱细胞方法的选择这一结论。最后,探讨了 dECM 水凝胶生物墨水的潜在大规模应
用以及制造此类生物材料的挑战。
关键词：3D 打印,生物墨水,细胞生物学,水凝胶,组织工程
3D 生物打印是增材制造技术的重要形式,它通过计算机辅助将生物材料、生物因子和细胞在空
间上逐层精确定位组装,并按需构建个性化的宏观及微观结构。现已被运用于组织工程学、再生
医学、药代动力学和其他生物研究中活组织和器官的重建[1] 。 生物墨水是 3D 生物打印中的一
个重要组成部分,它与活细胞共同打印出。其中,挤出式 3D 生物打印的理想生物墨水应该具备以
下特性:①具有良好的可打性:即有促进挤出的剪切稀化特性,有保证绘制形状的快速剪切恢复特
性。②打印的支架具有良好的机械性能:即有长期且稳定的结构保真度,易于操作和处理。③具
有良好的生物相容性,无毒性,不会引起免疫反应。④具有良好的生物降解性。⑤能够通过细胞
友好的处理方法完全固化。⑥能够模拟特定细胞类型的体内微环境。⑦能够支持和促进细胞活
动,如黏附、迁移、增殖和分化。天然衍生的水凝胶常用于 3D 生物打印[2,3,4],但天然材料制成
的生物墨水黏度较低, 打印的支架不能直接植入和重建承重组织。 相比之下,基于合成材料所打
印的支架,例如聚己内酯(PCL)[5,6,7]、聚乙二醇(PEG)[8]和聚乳酸(PLA)[9]等,则具有更高的机械
强度。 天然 ECM 含有各种蛋白质,提供细胞与 ECM 相互作用的结构。由于天然 ECM 的复杂
性,使用一种或多种组分的生物墨水仍不足以完全包含天然 ECM 的特征,近年来新兴起的脱细胞
基质(dECM)水凝胶可提供与亲本组织相似的微环境,供细胞生长。目前已开发出不同组织来源
的dECM 水凝胶,但与其他天然衍生材料生物墨水一样,dECM 制备的生物墨水机械强度较低,因
此需要合成材料的支撑以制造承重支架。
1 脱细胞基质水凝胶生物墨水的制备
ECM 为细胞的生长发育提供微环境,其组分中的透明质酸、纤维蛋白和胶原蛋白等,均可用作生
物墨水进行3D 生物打印,其与活细胞的相互作用已在体外和体内得到充分研究[10]。为了创造
与天然组织尽可能相似的微环境, ——开发了目前最具仿生生物学的聚合物 基于脱细胞外基质
(dECM)的水凝胶。
目前针对脱细胞组织或器官的应用主要包括器官移植、外科重建和再生医学[11],对于此类应用,
最重要的是保留ECM 的组分及其天然超微结构,因此,需要制备 dECM 水凝胶所使用的化学、物
理和酶促等方法在去除细胞的同时不损害或损失 ECM,脱细胞的主要方法有:①化学,包括酸和
碱、洗涤剂、低渗和高渗溶液、醇和溶剂。②生物,包括酶、核酸酶和螯合剂。③物理,包括温
度、压力、电穿孔和力的直接影响。④上述两者或三者的组合[12,13,14]。其中,脱细胞剂应用
于器官或组织的方法有 4种:灌注脱细胞、压力梯度、超临界流体、浸泡和搅拌[12]。脱细胞方
法的选择至关重要,不同的方法会影响 ECM 的构成和比例,进而影响 dECM 生物墨水对再生医学
的效力。
脱细胞处理完成后的组织块需要冻干并研磨成粉,将dECM 粉末进一步溶解至所需浓度,调节 PH
形成具有可打印性的凝胶流体状物质。灭菌为dECM 生物墨水制备过程的最后一步。可选用
4%乙醇或 0.1%过乙酸[15]进行灭菌,也可以通过 0.22 mm 的过滤器进行灭菌[17]。对高黏度的生
物墨水,可以使用替代方法例如超临界二氧化碳[15]、环氧乙烷气体[16]等进行灭菌处理。
2 dECM 水凝胶生物墨水的基本打印参数
2.1 黏度和黏弹性
生物打印的最佳黏度主要取决于成胶速度和打印速度。具有剪切稀化特征的生物墨水,在维持高
分辨率打印的同时可以保护生物墨水中的细胞。由Pati 等[7]开发的剪切稀化 dECM 水凝胶表现
出2.8 Pa/s(软骨衍生的 dECM)至23.6 Pa/s(心脏衍生的 dECM)的黏度。
2.2 存储模量和损耗模量
存储模量应高于损耗模量,以保证凝胶化后可维持支架形状。Pati 等[7]的研究表明,存储模量越
高,黏弹性越大,打印的结构越精细。不同组织衍生的 dECM 具有不同的机械性能, Pati 等[7]的实
验证明与脂肪或心脏组织所衍生的 dECM 水凝胶相比,软骨衍生的 dECM 水凝胶具有更高的存
储模量
2.3 喷嘴直径
喷嘴直径影响打印结构的精细度。喷嘴越细,打印结构的精细度越高。但对打印性较差的生物墨
水使用较细的喷嘴时,则会有堵塞的可能,因此,需要在打印结构的精细度和生物墨水的可打印性
之间取得平衡。Jang 等[17]在研究各打印参数中发现,喷嘴直径对打印线条的宽度影响最大。
3 脱细胞基质水凝胶生物墨水的应用
dECM 水凝胶已经用于微创输送,其中预凝胶黏性流体可以通过导管或注射器注射到患者体内,
操作快捷简便。其中预凝胶流体在体温下易聚合成水凝胶,适应任何缺损的形状[6]。最新的基
于ECM 的水凝胶可从各种器官发展而来,包括肺[18]、肾[19]和胰腺[20]等,这些也可以制作成生
物墨水进行3D 生物打印。目前 dECM 水凝胶生物墨水主要应用于以下几个方面。
3.1 软骨
修复软骨的支架应具备良好的机械性能,然而脱细胞化过程对机械强度影响明显,所制得的支架
压缩强度低。Pati 等[7]结合软骨 dECM 和聚己内酯构建了具有稳定且较高机械强度的软骨结
构。 Beck 等[21]的研究则开发了一种甲基丙烯酸酯化脱细胞软骨凝胶,其压缩模量可接近天然
关节软骨(1 070±150)kPa。
3.2 骨骼肌肉组织
Choi 等[22]使用基于猪骨骼肌的脱细胞基质(mdECM)水凝胶培养成肌细胞,后者融合成多核肌
管, 这是肌原性分化的标志。 同时,与胶原蛋白相比,成肌细胞在 mdECM 水凝胶中培养时,分化标
志物显示出更多的肌原性基因表达上调。
摘要：
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3D生物打印脱细胞基质水凝胶的研究来源：华夏医学作者：易平;刘畅发布于：2020-04-24共4135字 细胞生物学课程论文（优选范文8篇）之第七篇 摘要：细胞外基质(ECM)包含复杂的蛋白质环境和多种生长因子,为细胞提供机械、生物物理和生物化学信号,具有组织器官特异性。器官衍生的脱细胞ECM(dECM)是目前最具仿生生物学的材料,这一特点使其在3D生物打印应用中成为热门材料。笔者总结了dECM水凝胶生物墨水的制备及其基本打印参数;回顾了衍生自不同器官的dECM水凝胶生物墨水的应用,并概括了用于评估这些生物墨水质量的表征方法;得到了制作优质的生物墨水取决于衍生的组织器官、动物和脱细胞方法的...
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