Advanced Functional Materials | 深圳先進院報道小分子陽離子聚合物增強海藻酸鹽基生物墨水的可打印性和生物活性
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所阮長順課題組在Advanced Functional Materials在線發表研究論文A Small-Molecule Polycationic Crosslinker Boosts Alginate-Based Bioinks for Extrusion Bioprinting。提出雙交聯改進策略（圖1），通過引入小分子聚陽離子ε-聚賴氨酸（ε-PL）和甲基丙烯酰化改性（-MA），對墨水（即AlgMA/PLMA）進行打印前預交聯及打印后光交聯，實現了對大尺寸、精細結構的穩定構建。此外，ε-PL賦予墨水可調的電荷性質，顯著提升了其細胞活性調控性能，為組織/器官體外精準制造提供基礎。
利用先進的生物3D打印技術體外仿生構建組織、器官，用于再生醫學、發育生物學研究和藥物篩選等已成為全球關注的研究熱點。打印墨水作為生物3D打印技術重要組成部分是實現打印精度，維持細胞存活及功能的基礎。其中，海藻酸鹽（Alg）因其廣泛的來源、較低的價格、優異的生物安全性和可打印性被廣泛使用。然而，Alg墨水黏度高、打印后穩定性差、缺少生物活性，嚴重阻礙了其在生物打印領域的應用。阮長順研究員團隊通過引入小分子聚陽離子ε-PLMA與AlgMA形成的聚電解質來解決此項挑戰。
與傳統Alg基墨水，即 Alg/Ca2+、AlgMA/Ca2+和AlgMA/GelMA相比，得益于PL的小分子結構及墨水的電荷中和效應，AlgMA/PLMA生物墨水可以在更短的時間內達到均勻混合狀態，降低了攪拌對細胞的傷害。進一步，作者通過評估打印結構的網孔形態隨時間的變化提供了一種通用的墨水打印后穩定性評價方法。除了已有的可打印性（Pr.），作者還定義了幾個定量指標，包括形狀維持度（SM）、打印穩定性（PS）和交聯穩定性（CS）。基于上述參數的定量分析，系統性展示了AlgMA/PLMA生物墨水的高打印保真度（圖1）。
除了打印性能的提升，AlgMA/PLMA生物墨水還解決了Alg生物惰性的問題。帶正電的小分子ε-PLMA改變了Alg基材料的電荷微環境，進而影響了墨水的親疏水及蛋白吸附等特性，使得細胞在AlgMA/PLMA生物墨水內具有可調的生物相應。通過調節PLMA含量發現，骨髓間充質干細胞（BMSC）在AlgMA8-PLMA8（相同質量比）墨水中表現出最優的增殖和鋪展水平。
阮長順團隊在2019年提出聚電解質基打印墨水（Lin et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808439.）研究，本研究則推動聚電解質基墨水在細胞打印中應用。阮長順課題組研究助理高崇健和碩士研究生唐瀾為該論文的共同第一作者，深圳先進院助理研究員王品品、深圳市人民醫院主任醫師許楠和深圳先進院研究員阮長順為該論文的共同通訊作者。另外，深圳先進院周添副研究員、潘浩波研究員及呂維加研究員等也對該工作做出重要貢獻。
該工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然基金優秀青年基金項目、廣東省自然科學基金項目和深圳市基礎研究項目等基金的資助。
圖1 小分子聚陽離子增強型海藻酸鹽生物墨水精準構建大尺寸結構
