具有精确制造组织和器官的三维 (3D)生物打印技术在组织工程中获得了有吸引力的跨学科研究，这为具有设计形状和结构的3D图案化的载有细胞的生物材料提供了前所未有的可重复性和精度。近年来，魔芋葡甘聚糖（KGM）在生物医学领域越来越受到关注，KGM及其衍生物具有良好的生物相容性、生物降解性、吸湿性和凝胶化特性。基于此，来自广西医科大学第一附属医院骨科再生医学研究中心的郑立联合赵劲民教授团队创新性的制造了一种可光交联的甲基丙烯酸化魔芋葡甘聚糖(KGMMA)作为用于3D挤出生物打印的新型生物材料墨水，以尝试构建精确图案化的组织（图1）。经过UV交联后，印刷的KGMMA水凝胶可以形成具有高强度、所需剪切、溶胀和降解特性的共价交联网络。相关研究成果以“Photo-crosslinkable methacrylated konjac glucomannan (KGMMA) hydrogels as promising bioink for 3D bioprinting”为题于2022年9月24日发表在《Biomater. Sci.》上。
作者首先将KGM水凝胶直接打印成稳定的结构，随后合成了可光交联的甲基丙烯酸酯化KGM (KGMMA)水凝胶，以赋予它们长期稳定性并加载软骨细胞用于3D生物打印，展示了通过3D生物打印制备的光聚合KGMMA网络的细胞活力，以研究其组织再生的潜力。为了快速有效地证明潜在生物材料墨水的可印刷性，作者使用了长丝挤出测试（表1）。具有较高粘度的样品可能表现出更长的细丝。浓度为3%、4%、5% (w/v)的油墨在长丝形成中表现良好，其结构已证明具有良好的可成型性和时间稳定的结构，沉积后具有高结构分辨率（图2）。表1 四种生物材料墨水在喷嘴处被挤出形成细丝的能力为了赋予长期稳定的网络，作者在KGM的主链上改性甲基丙烯酸酐(MA)以获得甲基丙烯酸酯化的KGM (KGMMA)，它可以通过紫外线进行光交联。KGM的甲基丙烯酸化在多糖的伯羟基上进行了修饰（图 3A）。为了准确确定化学结构，使用1H NMR分析 KGMMA 的组成（图 3B）。具体地说，在5.6 ppm和6.1 ppm的特征峰的出现表示甲基丙烯酸酯乙烯基。在1.8 ppm处的峰对应于甲基丙烯酸酯中的甲基，表明KGM的甲基丙烯酸改性是成功的。水凝胶的流变性是生物油墨挤压印刷的关键，因此作者使用振荡流变仪来表征KGM和KGMMA凝胶的流变性。如图4A所示，随着剪切速率的增加，所有配方包括KGM、KGMMA1和KGMMA2预凝胶都表现出剪切变稀行为，粘度降低。有趣的是，两种KGMMA预凝胶均表现出比KGM更高的剪切应力，且剪切应力值随MA浓度的增加而增大。这可能是由于KGM在改性过程中发生脱乙酰化，通过氢键形成弱凝胶，从而增加了粘度和剪切应力。之后，作者采用晶格矩阵、六边形和花状结构网络三种三维模型，逐层对KGM和KGMMA油墨的形状成形性进行了评价，如图5所示。为了进一步研究支架的形状成形性，将支架浸泡在PBS中两小时。KGM支架由于吸湿和膨胀的原因，其印刷形状难以保持，而KGMMA2支架则保持较好。相比较而言，接枝程度较大的KGMMA2比KGMMA1具有更高的形状成形性。结果表明，可光聚合的KGMMA网络大大提高了强度和刚度，能够有限负载细胞。作者继续对KGMMA的基本特性进行了检测，如图6所示。与低DM的KGMMA1相比，高DM的KGMMA2支架的断裂应变降低了23%，压缩模量增加了1821 kPa，这与流变数据一致，表明增加DM可以提高KGMMA水凝胶的储能模量(G′)。另外，还可以通过调节KGMMA聚合物的DM来调节KGMMA水凝胶的内部结构、溶胀和机械强度。交联密度可以通过改变MA的甲基丙烯化程度来调节降解，这对3D生物打印也有重要意义。最后，作者以软骨细胞为载体，培养3D生物打印的载细胞水凝胶，并对其活性进行评价。培养2、4、6d后用CCK8法检测细胞增殖情况。如图7A所示，KGMMA水凝胶片培养的两组软骨细胞均表现出相似的持续增殖，均优于KGM组，说明KGMMA水凝胶对软骨细胞无细胞毒性。进一步活/死实验分析细胞活力。如图7B所示，细胞在3D生物打印构建中均匀分布。KGMMA1的活细胞率略高于KGMMA2，可能与KGMMA147、48的孔径较大有关。结果表明，KGMMA水凝胶能保护细胞免受印刷过程中的应力损伤，并能为活细胞创造人工仿生的三维环境。综上，本文开发了一种甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖(KGMMA)作为三维生物打印的新型生物墨水。KGM水凝胶可以在低浓度下直接打印成稳定的三维结构。KGMMA水凝胶经UV交联后，可形成高强度的共价交联网络，具有良好的剪切、溶胀和降解特性。通过调节KGMMA聚合物的DM可以调节KGMMA水凝胶的结构、溶胀行为、生物降解行为和力学性能。KGMMA水凝胶的剪切特性为细胞提供了极好的印刷适性，促进了细胞的活性。因此，可生物降解、可注射、可光交联的KGMMA水凝胶有望用于软骨组织工程。 https://doi.org/10.1039/D2BM00832G围绕再生医学，EFL建有“学术交流群”、“产业交流群”，扫描下方二维码加小编微信即可入群交流~