不同于傳統(tǒng)的逐層式打印方式，體積增材制造（Volumetric Additive Manufacturing，VAM）可以通過旋轉(zhuǎn)投影動態(tài)變化的光圖案從而實現(xiàn)三維物體的快速光聚合。然而，（生物）墨水的缺乏是限制VAM在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸問題。
為解決上述瓶頸，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授團(tuán)隊開發(fā)了未改性的純絲蛋白（包括絲膠蛋白（silk sericin，SS）和絲素蛋白（silk fibroin，SF））（生物）墨水用于VAM（生物）打印。通過后處理的方法，VAM打印的SS結(jié)構(gòu)展示了可逆的且可重復(fù)的收縮、膨脹或形狀記憶的特性；而VAM打印的SF結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出可大范圍調(diào)控的機(jī)械性能特性，機(jī)械強度范圍可從幾百Pa調(diào)控至幾百MPa。這兩種純絲蛋白（生物）墨水都展現(xiàn)了良好的細(xì)胞相容性。這項研究工作擴(kuò)展了VAM的（生物）墨水庫，進(jìn)一步拓寬了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍。
SS和SF（生物）墨水在低濃度下展現(xiàn)優(yōu)異的VAM打印性能
研究人員從天然的蠶絲纖維中分別提取了SS和SS兩種成分，并利用SS和SF分子側(cè)鏈上的絡(luò)氨酸基團(tuán)能與RU/SPS光引發(fā)劑復(fù)合物在一定條件下能發(fā)生光聚合反應(yīng)機(jī)理，分別制備了SS和SF兩種（生物）墨水（圖1）。在接下來的打印性測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)SS和SF都可以在低濃度下（2.5%）實現(xiàn)快速VAM打印，并展現(xiàn)出打印多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)良打印性能（圖2）。
圖2 SS和SF（生物）墨水VAM打印性測試
VAM打印SS結(jié)構(gòu)的分辨率可達(dá)50 μm
隨后，在VAM打印分辨率測試中，研究人員利用VAM分別打印了多種具有細(xì)微結(jié)構(gòu)特征的實心和空心結(jié)構(gòu)（圖3）。發(fā)現(xiàn)VAM打印SS結(jié)構(gòu)的最小分辨率可以達(dá)到45.9 μm，而VAM打印SF結(jié)構(gòu)的最小分辨率是57 μm。VAM打印分辨會受到多種因素的影響，包括結(jié)構(gòu)，光強，時間和（生物）墨水種類和濃度等，其中，入射光的穿透深度是一個非常重要的影響因素，而高濃度Ru引發(fā)劑會顯著降低入射光的穿透深度，從而降低VAM打印分辨率。
圖3 VAM打印SS和SF結(jié)構(gòu)的分辨率測試
VAM打印的SS和SF結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出可調(diào)控的機(jī)械性能特性
通過后處理的方法，VAM打印的SS結(jié)構(gòu)展示了可逆的且可重復(fù)的收縮、膨脹或形狀記憶的特性；而VAM打印的SF結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出可大范圍調(diào)控的機(jī)械性能特性，機(jī)械強度（壓縮模量）范圍可從幾百Pa調(diào)控至幾百MPa，主要原因是通過后處理后，SF內(nèi)部雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（絡(luò)氨酸雙鍵和beta折疊）的形成（圖4）。
圖4 VAM打印SS和SF結(jié)構(gòu)的理化性能表征
SS和SF生物墨水都具展現(xiàn)了良好的細(xì)胞相容性
進(jìn)一步，研究人員測試了SS和SF的VAM生物打印性和細(xì)胞兼容性。發(fā)現(xiàn)在一定的細(xì)胞密度內(nèi)，活細(xì)胞的加入并不會顯著影響SS和SF的打印性。另外，VAM生物打印的SS和SF結(jié)構(gòu)中，包裹的細(xì)胞在14天的體外培養(yǎng)中都保持了較高的存活率和細(xì)胞代謝活力（圖5）。在VAM生物打印的SS結(jié)構(gòu)中，C2C12細(xì)胞展現(xiàn)出了比在SF結(jié)構(gòu)中更明顯的展開行為。
圖5 VAM生物打印SS和SF細(xì)胞兼容性測試
VAM生物打印SF骨螺釘概念應(yīng)用
最后，研究人員展示了VAM生物打印SF骨螺釘?shù)母拍顟?yīng)用前景（圖6）。首先利用VAM生物打印了SF骨螺釘，再將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）孵育在SF骨螺釘表面，在后續(xù)的體外培養(yǎng)中，MSCs能夠較好的粘附在SF骨螺釘表面并快速增殖，并且在14天的體外培養(yǎng)期間持續(xù)表達(dá)成骨相關(guān)基因，證明其能在SF骨螺釘表面維持高水平的細(xì)胞分化活力。另外，通過后處理方法使SF骨螺釘形成雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，大幅提高其機(jī)械強度，并在體外豬骨植入實驗中驗證了其可以作為可植入醫(yī)療器件的可行性。
圖6 VAM生物打印SF骨螺釘應(yīng)用展示
總結(jié)：研究人員成功開發(fā)了天然、未改性的SS和SF（生物）墨水用于VAM（生物）3D打印，這兩種（生物）墨水在低濃度（2.5%）下都展現(xiàn)出能夠打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)異打印性能。其中，SS打印物的收縮和再膨脹特性是可逆的，表明其在形狀記憶材料、4D印刷、軟機(jī)器人和藥物輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的潛力。通過進(jìn)一步的后處理引發(fā)雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，VAM打印的SF無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的壓縮模量可從幾百Pa調(diào)控至約250 MPa。更重要的是，SS和SF均表現(xiàn)出了良好的細(xì)胞相容性。這項工作豐富了VAM的（生物）墨水庫。
原文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35807-7
謝茂彬 教授簡介
謝茂彬，博士，博士生導(dǎo)師，廣州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授，廣東省“珠江人才計劃”青年拔尖人才。2016年博士畢業(yè)于香港理工大學(xué)，2019-2021年美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后。長期從事3D生物打印和生物材料領(lǐng)域研究。發(fā)表學(xué)術(shù)論文33篇，其中以第一/通訊作者身份在Science Translational Medicine、Nature Communications、STAR Protocols、Advanced Functional Materials、Biomaterials等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。申請發(fā)明專利15件，其中PCT專利2件，已授權(quán)6件。目前是中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員、廣東省生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會生物醫(yī)用材料與臨床應(yīng)用分會委員。同時擔(dān)任Advanced Science、ACS Nano、Small、Applied Materials Today、Nanoscale等國際著名學(xué)術(shù)期刊審稿人。
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