明胶/海藻酸钠/羧甲基壳聚糖复合水凝胶用于生物3D打印的研究

2016-12-26

       生物3D打印技术具有精确、快速实现生物支架复杂的宏观外形和内部微细结构的一体化构建，同时能够高效地制备出针对特定患者、特定组织器官的个性化产品，已经成为再生医学领域的研究热点。能够用于生物3D打印的材料必须满足诸多要求, 主要包括：（1）支架材料在工作台沉积后能够快速原位成型，并维持初始沉积的形状；（2）生物相容性好，打印过程中对细胞的机械损伤小；（3）打印成型的支架满足特定组织所需的力学强度等。但是目前适用于生物打印的材料种类非常有限，普遍存在难以快速成型、可调节性差以及打印后细胞存活率低等缺点。 

       针对以上问题，苏州纳米所张智军课题组与戴建武课题组密切合作，通过研制明胶/海藻酸钠/羧甲基壳聚糖多组分复合水凝胶材料，实现了其与鼠间充质干细胞共混生物3D打印 （图1）。科研人员首先对传统的温敏型明胶/海藻酸钠(Gel/SA)水凝胶体系进行了改进，通过掺入一定比例的羧甲基壳聚糖，获得了明胶/海藻酸钠/羧甲基壳聚糖（Gel/SA/CMCS）水凝胶。研究发现，与文献报道的3D打印材料Gel/SA水凝胶相比，掺入羧甲基壳聚糖后能显著提高水凝胶的力学强度，延长水凝胶的降解时间，并增强其抗菌性能。更重要的是，Gel/SA水凝胶的3D结构容易塌陷，从而严重破坏水凝胶的多孔结构，不利于干细胞的生长和分化。而我们研制的Gel/SA/CMCS复合材料3D打印后结构形貌保持完整（图2），其多孔结构有利于细胞所需氧气、营养物质以及排泄物质的流通。在此基础上，我们实现了Gel/SA/CMCS水凝胶与间充质干细胞共混的生物3D打印，打印后干细胞的存活率在85%以上（图3）。该生物3D打印材料在组织器官损伤修复及再生医学领域具有潜在广泛用途。

      该成果最近发表在国际学术刊物RSC Advances上。

      Huang J.; Fu H.; Wang Z. Y.; Meng Q. Y.; Liu S. M.; Wang H. R.; Zheng X. F.; Dai J. W.*; Zhang Z. J.*; BMCSs-laden gelatin/sodium alginate/carboxymethyl chitosan hydrogel         for 3D bioprinting. RSC Adv., 2016, 6, 108423–108430.

图1. Gel/SA/CMCS 水凝胶负载鼠间充质干细胞进行 3D 打印流程示意图。

图2. 3D打印 Gel/SA/CMCS 水凝胶与Gel/SA 水凝胶的扫描电镜图。

                                                                            图3. 鼠间充质干细胞与Gel/SA/CMCS水凝胶共混打印后的荧光共聚焦照片。