近日，国家人体组织功能重建工程技术研究中心董华教授团队报道了一种构建高性能均质微凝胶组装体（Homo-MA）和异质微凝胶组装体（Hetero-MA）生物墨水的通用型策略。该研究成果在期刊Small Methods（IF=12.4）上发表。
3D挤出式生物打印旨在复制天然组织和器官的复杂结构和功能。传统水凝胶墨水难以同时实现高保真度打印和细胞活力/功能维持。微凝胶，即微米尺度水凝胶，不仅能保护封装细胞免受剪切力破坏，且可提供适合细胞存活和表型的物化微环境，以保持细胞活力和功能。一般而言，微凝胶以“紧密堆积”（“Jammed microgels”，即栓塞型微凝胶）方式或动态键合的方式（“Microgel assembly”，微凝胶组装体）形成生物墨水。其中，紧密堆积方式具有通用性，适用于任意材质的微凝胶。然而，此类生物墨水微凝胶之间的相互作用力较弱，打印后的结构易塌陷、稳定性不足。动态键合方式通过增强微凝胶间的相互作用来提升打印保真度。然而，目前已报道的动态键合反应（如主-客体、苯硼酸酯动态化学、席夫碱反应等）仅发生在特定基团间，专一性强，需提前对微凝胶进行特殊官能团设计，不具有通用性。因此，迫切需要开发一种适合大多数微凝胶材料的策略，以制备高性能均质和异质微凝胶生物墨水，从而再现组织/器官复杂的结构和功能。
该策略采用表没食子儿茶素没食子酸酯改性的透明质酸（HA-EGCG）作为微凝胶涂层剂，以苯硼酸改性的透明质酸（HA-PBA）作为组装剂，可将任意类型的微凝胶制备成高性能生物墨水（图1）。
图1 基于HA-EGCG和HA-PBA的Homo-MA和Hetero-MA生物墨水制备与应用
实验证实，HA-EGCG可自发在PEGDA、GelMA和Alg-Ca微凝胶表面形成纳米级涂层（贻贝仿生化学），而HA-PBA则可与微凝胶表面的HA-EGCG建立动态苯硼酸酯键。通过上述策略制备的PEGDA Homo-MA生物墨水具有优异的流变学性能、自愈合性和组织粘附性（图2）。尤为让人惊喜地是，该策略还适用于GelMA和Alg-Ca微凝胶，所得PEGDA、GelMA和Alg-Ca Homo-MA生物墨水可构建出高保真3D结构（花瓶、倾斜方桶和空心管）。通过整合多种Homo-MA生物墨水，可实现空间异质性多级结构打印，例如，一维的异质性微丝、二维的马赛克和太极图案以及三维的“SCUT”图形和金字塔结构。这些图案具有优异的结构稳定性，可以悬空夹起而不发生溃散（图3）。
图2 PEGDA Homo-MA生物墨水的制备、HA-EGCG和HA-PBA在生物墨水的分布、PEGDA Homo-MA生物墨水的表征
图3 打印PEGDA、GelMA和Alg-Ca Homo-MA生物墨水构建多级结构
进一步地，作者们将PEGDA、GelMA、Alg-Ca三种微凝胶按一定体积比均匀混合后，依次加入HA-EGCG和HA-PBA得到Hetero-MA生物墨水。该墨水不仅实现了多种材料的整合，而且具有良好的可打印性和形状保真度，可打印复杂3D仿生结构，如大口径血管、肋骨、耳朵和鼻子等（图4）。
图4 Hetero-MA生物墨水的制备以及复杂仿生结构的构建
最后，该团队设计并打印了一种半球形乳腺癌类器官模型，即使用负载人类包皮成纤维细胞（HFF）的GelMA Homo-MA生物墨水作为乳腺癌类器官的外层（基质模块），以负载乳腺癌细胞（MDA-MB-231）的PEGDA微凝胶和负载HFF细胞的GelMA微凝胶组成的Hetero-MA生物墨水作为乳腺癌类器官核层（肿瘤模块）（图5）。并以该模型为基础比较了顺铂和紫杉醇两种化疗药物的疗效，结果表明顺铂在杀伤乳腺癌肿瘤细胞方面具有更高的选择性。这一实验初步证明了由该策略制备的Homo-MA生物墨水和Hetero-MA生物墨水在疾病类器官模型构建方面的可行性。
DOI: 10.1002/smtd.202400223