3D打印技術(shù)正被運(yùn)用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)中的快速原位制造,以及個(gè)性化消費(fèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)。如今,先進(jìn)的3D打印系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)將生物材料(主要是水凝膠)、生化試劑和活細(xì)胞逐層精確定位到復(fù)雜的3D功能組織中,這使得3D打印技術(shù)邁向了3D生物打印領(lǐng)域。3D生物打印旨在為大范圍的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用復(fù)制生物組織或器官的組成、力學(xué)性能和3D結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前對(duì)于臨床應(yīng)用而言,一般是在體外進(jìn)行構(gòu)件的3D打印,然后通過(guò)手術(shù)程序?qū)⑵渲踩塍w內(nèi)。最近報(bào)道的原位3D生物打印也僅限于外部的受損區(qū)域,例如皮膚或先前手術(shù)處暴露的部位。

然而,可注射材料用作輸送載體可改善此類(lèi)局限,有望以微創(chuàng)的方法來(lái)提高治療功效,恢復(fù)受損的組織和器官,其中就包括基于干細(xì)胞的治療方法??勺⑸渌z由于具備模仿天然干細(xì)胞微環(huán)境的潛力,是干細(xì)胞移植的首選材料。但是對(duì)3D形狀和空間組織而言,可注射水凝膠在注射部位周?chē)纬傻母飨蛲缘慕Y(jié)構(gòu)無(wú)法控制。

意大利帕多瓦大學(xué)Nicola?Elvassore等人研發(fā)出了通過(guò)生物正交雙光子環(huán)加成法,在大于850nm的波長(zhǎng)下交聯(lián),可以在活小鼠的組織內(nèi)3D打印的光敏聚合物水凝膠。這種活體內(nèi)的3D生物打印不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物,并且利用常見(jiàn)的多光子顯微鏡將生物打印結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位和定向到特定的解剖部位,從而可以在活體小鼠組織(包括真皮)中制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

該活體3D生物打印有望成為常規(guī)生物打印的體內(nèi)替代方法,使得直接在活體生物中制造三維結(jié)構(gòu)和功能組織來(lái)使器官修復(fù)或重建的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)成為可能。該研究以題為“Intravital?three-dimensional?bioprinting”的論文發(fā)表在《Nature?Biomedical?Engineering》上。

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【紅外光交聯(lián)策略】

該研究采用了在允許深層組織穿透的激光波長(zhǎng)(波長(zhǎng)> 800 nm)下使生物聚合物光交聯(lián)到水凝膠中的技術(shù)。由于香豆素介導(dǎo)的環(huán)加成反應(yīng)具有無(wú)自由基和光引發(fā)劑的化學(xué)特性,從而避免了對(duì)活體組織的潛在毒性。

因此,作者選擇香豆素衍生物作為光敏交聯(lián)部分,用于聚合物主鏈的末端官能化。當(dāng)香豆素衍生物暴露于單光子紫外可見(jiàn)(UV-Vis)光或在近紅外光的雙光子激發(fā)下時(shí),有可能發(fā)生[2 + 2]環(huán)加成反應(yīng)。

但是UV-Vis波長(zhǎng)與組織穿透力不兼容,因此作者采用了紅外光交聯(lián)策略來(lái)制備香豆素衍生物用作光敏交聯(lián)部分的水凝膠。作者基于其光吸收性能,選擇了8種香豆素衍生物進(jìn)行進(jìn)一步表征(圖2a)。

其中,由于7-羥基香豆素-3-羧酸(HCCA)在7位具有給電子取代基和在3位具有吸電子取代基,被認(rèn)為是該3D生物打印系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。該羧基的存在使HCCA與諸如線性PEG、支鏈PEG和明膠等聚合物共軛(圖2b),從而可用于制造生物相容性良好的水凝膠。

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圖1活體內(nèi)3D生物打印裝置和體內(nèi)應(yīng)用
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圖2用于3D生物打印應(yīng)用的可注射HCC共軛聚合物的研發(fā)

【雙光子水凝膠制備】

作者通過(guò)使用與HCCA偶聯(lián)并在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)激發(fā)的支鏈PEG和明膠聚合物,測(cè)試了組裝3D水凝膠的可能性。之后,通過(guò)光交聯(lián)多個(gè)z向位置(圖3a)或通過(guò)組合添加多個(gè)平行的線性物體(圖3b,c),進(jìn)一步證實(shí)了3D光交聯(lián)的準(zhǔn)確性。該研究實(shí)現(xiàn)了線性物體的最小線寬(1.9±0.2 μm)(圖3b)和生物打印的亞微米分辨率(圖3c)。作者還通過(guò)透射電子顯微鏡觀察到HCC-PEG形成納米組裝體,證實(shí)了HCC聚合物在水溶液中可以自組裝成超分子結(jié)構(gòu)的設(shè)想。其中HCC光敏基團(tuán)使它們緊密靠近并準(zhǔn)備在光激發(fā)下進(jìn)行快速環(huán)加成,從而在聚焦的雙光子光學(xué)體系內(nèi)進(jìn)行有效的交聯(lián)反應(yīng)。這些結(jié)果證明了通過(guò)使用HCC聚合物溶液的紅外光介導(dǎo)的光交聯(lián),能夠制造具有準(zhǔn)確3D定位、微米分辨率和可調(diào)節(jié)機(jī)械剛度的3D水凝膠。

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圖3光敏聚合物的表征

【體內(nèi)水凝膠生物打印】

皮膚被認(rèn)為是無(wú)需進(jìn)行額外手術(shù)即可實(shí)現(xiàn)3D打印的最佳目標(biāo)器官。HCC聚合物溶液通過(guò)小鼠皮內(nèi)注射的方式實(shí)現(xiàn)局部遞送。作者使用雙光子顯微鏡將HCC聚合物溶液暴露于聚焦脈沖近紅外激光(λ= 850 nm)中(圖4a)。然后,作者利用宿主組織的熒光,可以輕松地觀察到真皮內(nèi)部交聯(lián)水凝膠上方的表皮完整性(圖4b),其與未經(jīng)處理的組織相似(圖4b,c)。

此外,作者采用了外科手術(shù)的方式來(lái)暴露小鼠完整的骨骼肌,并在其上方注射了HCC聚合物溶液進(jìn)行光交聯(lián)。結(jié)果表明,在肌纖維表面制造3D水凝膠不會(huì)明顯改變總體肌纖維形態(tài)和結(jié)締組織完整性(圖4d,e),且水凝膠僅在進(jìn)行光反應(yīng)的區(qū)域形成(圖4f)。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠在3D生物打印過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像,從而提供了在特定解剖部位觸發(fā)水凝膠交聯(lián)的可行性。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了該3D生物打印系統(tǒng)的高度生物相容性。

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圖4?體內(nèi)3D生物打印

總結(jié):作者證實(shí)了3D生物打印可以制造維持細(xì)胞功能的水凝膠。這種方法不僅可以預(yù)先在體外進(jìn)行生物打印,還可以在活體動(dòng)物不同器官中的組織上進(jìn)行生物打印,并且能夠做到實(shí)時(shí)成像。該活體3D生物打印有望成為常規(guī)生物打印的體內(nèi)替代方法,使得直接在活體生物中制造三維結(jié)構(gòu)和功能組織來(lái)使器官修復(fù)或重建的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)成為可能。

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41551-020-0568-z

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