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深圳先进院:聚电解质生物“墨水”常态打印实现大尺寸工程支架

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发表于 2019-1-26 20:30:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺副研究员团队、潘浩波研究员团队联合北京积水潭医院陈大福教授团队针对这一问题,使用聚赖氨酸改善海藻酸盐的缺点,制备了一系列海藻酸盐/聚赖氨酸基聚电解质生物墨水,实现了常态下大尺寸和功能化组织工程支架构建。该工作以“3DPrintingofMechanicallyStableCalciumFreeAlginatebasedScaffoldswithTunableSurfaceChargetoEnableCellAdhesionandFacileBiofunctionalization”为题发表在材料领域优秀期刊《AdvancedFunctionalMaterials》(IF=13.325)上。论文的第一作者为阮长顺课题组研究助理林子锋,通讯作者为阮长顺副研究员,潘浩波研究员和陈大福教授。同时本研究得到了国家重点研发计划、国自然基金及广东省特支计划等基金资助。
深圳先进院:聚电解质生物“墨水”常态打印实现大尺寸工程支架
三维打印(3DPrinting)技术的出现使得个性化组织工程支架成为可能。尽管三维打印支架已经取得了很大的成果,在支架的大尺寸打印和功能化上仍然存在较大的挑战,主要是缺乏合适功能化生物墨水。为了满足个性化医疗的需求,开发兼具可打印性、优异成型性能和生物相容性以及易功能化的生物墨水具有很大的研究价值与意义。海藻酸盐是线性聚阴离子型多糖,具有优异的打印性能和与钙离子快速交联成型性能,同时较好的生物相容性有利于包载细胞,海藻酸盐是三维打印领域构建生物墨水最为常用的材料之一。与钙离子快速结合是海藻酸盐的优点但其也存在不足,钙离子在生理环境下容易与其他单价离子发生置换,从而破坏了支架的交联结构,最终导致支架坍塌。海藻酸盐虽然具有较好的生物相容性,但是海藻酸盐的生物活性较低,限制了海藻酸盐在三维打印中的应用。
聚赖氨酸作为一种富含氨基的天然聚氨基酸,能够与海藻酸盐的羧基发生电荷相互作用,从而提高生物墨水的打印稳定性并实现大尺寸支架打印(图一)。聚电解质生物墨水模拟了细胞外基质的构成,通过调控打印后支架的电荷能够实现促进干细胞在支架表面黏附和负载及缓释各种生物活性因子如硫酸软骨素和血管内皮细胞生长因子(VEGF)(图二)。细胞实验证明了固定的硫酸软骨素促进了干细胞成软骨基因的表达以及促进了二型胶原的大量分泌。而血管内皮细胞生长因子的缓慢释放促进了干细胞血管分化相关基因的表达。
图一A:海藻酸盐/聚赖氨酸在水中的稳定性表征;B:三维打印大尺寸自支撑结构
图二A1,A2:不同浓度硫酸软骨素的吸附量和释放曲线;B1,B2:血管内皮细胞生长因子的吸附量和释放曲线
阮长顺副研究员课题组致力于开展生物打印与医用材料相关研究,并取得一定研究进展,包括实现骨诱导型功能生物墨水(AdvancedScience,2018)、高强度水凝胶墨水构建骨/软骨一体化修复支架(AdvancedFunctionalMaterials,2018;ACSBiomaterialsScience&Engineering,2017)等。
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