【摘 要】
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加载活细胞可编程形变的四维(4D)生物打印,由于具有快速构建复杂悬空结构的优势,而在生物制造和组织工程领域受到越来越多的关注。然而目前,大多数4D打印研究所使用的N-异丙基丙烯酰胺基的聚合物等材料,并不适合作为装载细胞的生物打印的生物墨水。真正实现加载活细胞的4D打印生物组织依然是一个巨大的挑战。基于此,在本文中,我们研究了一种简便可行的加载活细胞的三维(3D)打印可形变生物支架(即4D生物打印)
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加载活细胞可编程形变的四维(4D)生物打印,由于具有快速构建复杂悬空结构的优势,而在生物制造和组织工程领域受到越来越多的关注。然而目前,大多数4D打印研究所使用的N-异丙基丙烯酰胺基的聚合物等材料,并不适合作为装载细胞的生物打印的生物墨水。真正实现加载活细胞的4D打印生物组织依然是一个巨大的挑战。基于此,在本文中,我们研究了一种简便可行的加载活细胞的三维(3D)打印可形变生物支架(即4D生物打印)的方法,使用最常用的细胞打印的生物墨水材料——海藻酸钠,来构建具有近红外激光(NIR)触发形变的载有细胞的生物支架。这种使用高浓度海藻酸钠/聚多巴胺(PDA)混合墨水(14~18 wt%)制备的具有正交结构的3D打印双层支架,能在NIR诱导的光热脱水过程中展现出可编程的折叠形变。支架的变形程度和结果可以通过照射激光功率,照射时间和支架中打印的海藻酸钠/PDA结构来控制。活细胞可以包裹在非形变区域进行3D生物打印构建可编程可控形变生物支架。形变的生物支架具有一定的力学强度,以及在溶液中,支架可以维持形变的结构,适合于后期的组织培养和体内移植。并且打印的生物支架中的细胞在培养至少14天后仍保持着高的存活率。说明我们设计的可编程形变3D打印方法可以简便快速的构建具有复杂结构(悬空、弧形及管状等)的加载活细胞的组织贴片和生物支架。随后,我们还对打印的海藻酸钠基生物支架的潜在生物医学应用和体内组织相容性等进行了探索研究。在海藻酸钠支架表面进行PDA的原位聚合并吸附石墨烯制成新型组织贴片用于心肌修复。对其机械性能进行测试,并通过控制打印支架的条带的取向和间隔距离来调控支架的力学性能。并且石墨烯的涂层可以增加支架的导电性能。我们还巧妙地利用PDA与石墨烯的良好的光热转化性能,一方面使3D打印的平板结构的支架发生弧形形变使之与心脏组织(有一定弧度结构)完全贴合。另一方面采用热融合的方式使支架与小鼠心脏组织紧密结合,从而避免了手术缝合的繁琐操作和对组织造成二次损伤的风险。最后进行动物体内实验,通过光声检测观测追踪组织贴片在体内的行为。植入2个月后,小鼠的植入部位没有出现发炎、肿胀等异常现象。将支架取出发现支架中有新生血管和新组织的长入,证明支架的生物相容性良好。总之,本文报道的这种简便的可形变生物支架的制造方法,将4D打印与细胞打印相结合,为4D生物打印和生物制造人工组织和器官的研究和应用提供有价值的参考。
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