一隊來自羅格斯,新澤西州立大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師將甲基丙烯酸膠原的性質(zhì)進(jìn)行獨特組合后,展示了膠原作為生物墨水潛力巨大的一面,由膠原制成的生物墨水可以供組織工程和再生醫(yī)學(xué)進(jìn)行3D支架的簡單光刻法印刷。Ⅰ型膠原是人體中存在最為普遍的蛋白質(zhì)。作為最主要的形成膠原蛋白的纖絲成分,Ⅰ型膠原為許多軟組織提供了強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。從組織中提取Ⅰ型膠原也十分簡單,因此它常被用作體外研究中的二維或三維基質(zhì)。此外,Ⅰ型膠原分級自組裝為強(qiáng)有力且靈活的纖維的能力和出色的物種間生物相容性都使其廣泛應(yīng)用于組織工程中。3D打印技術(shù)日益受到再生醫(yī)學(xué)的歡迎,但Ⅰ型膠原纖維狀的高級結(jié)構(gòu)使其作為生物墨水變得更為復(fù)雜。
在之前的研究中,David Shreiber教授和他的團(tuán)隊用甲基丙烯酸酯使Ⅰ型膠原賴氨酸殘基功能化,組成膠原蛋白甲基丙烯胺酰胺,或稱為CMA。CMA保留了Ⅰ型膠原的三重螺旋結(jié)構(gòu),和自組裝成纖維和纖維狀共聚凝膠的能力。CMA還具有對光不穩(wěn)定性,在暴露于紫外線造成的自由基時會以纖維形式發(fā)生交聯(lián)。出乎意料的是,CMA同時展示出熱可逆性:在低溫和生理pH條件下,膠原和CMA均以三重螺旋懸架的形式存在;當(dāng)溫度上升到37℃時,兩者都會形成纖維狀共聚凝膠;然而溫度下降時,Ⅰ型膠原會維持纖維狀共聚凝膠狀態(tài),但CMA會解離成三重螺旋或短的寡聚物,回復(fù)為懸架狀態(tài);升溫后CMA會再度組成纖維狀共聚凝膠。CMA感光交聯(lián)成為共聚凝膠后就使喪失了熱可逆性。
“我們沒想到CMA具有熱可逆性,目前還在探討其機(jī)制。然而,當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了CMA的熱可逆性,且這個性質(zhì)可以被感光交聯(lián)消除時,就意識到Ⅰ型膠原和甲基丙烯酸酯的聯(lián)合可以使CMA成為支架3D打印生物墨水的完美之選?!痹搶嶒炇业那把芯可F(xiàn)食品藥品管理局的美國醫(yī)學(xué)生物工程院院士Kathryn Drzewiecki說。在TECHNOLOGY雜志12月刊的報道中,研究團(tuán)隊透過面罩將CMA共聚凝膠暴露于紫外線和光引發(fā)劑下,共聚凝膠的特定區(qū)域就會發(fā)生交聯(lián)。隨后將發(fā)生空間交聯(lián)的凝膠置于冰箱中“低溫融化”未暴露的區(qū)域,融化的部分可以被沖洗掉,從而分離出模式化的交聯(lián)共聚凝膠。
Shreiber和他的團(tuán)隊展示了分辨率為350μm的平板印刷支架。可能令人印象更深刻的是,利用普通辦公室用激光打印機(jī)打印出來的光掩膜,他們可以打印出與面罩宏觀特點幾乎相同的支架。這種支架經(jīng)過冷凍干燥可以形成膠原蛋白為基礎(chǔ)的海綿,再次水化后仍能保持原有形狀;特定形狀的細(xì)胞支架在CMA中包含解離的細(xì)胞時也可以被打印出出來。那些細(xì)胞顯示了很好的生存能力,遷移能力和表型行為,這與和膠原共聚凝膠支架相互作用的細(xì)胞是一致的。
“如今,機(jī)械性能被視作為細(xì)胞行為的一個重要調(diào)節(jié)因素。我們認(rèn)為對CMA的剛度進(jìn)行空間調(diào)整會成為一個有價值的研究工具,以此探討CMA的基質(zhì)剛度如何在2D支架或3D環(huán)境中影響細(xì)胞行為?!?/span>Shreiber說,“在發(fā)現(xiàn)CMA的熱可逆性后,我們認(rèn)為CMA可能會在細(xì)胞封裝和細(xì)胞采集方面有一些有趣的應(yīng)用?!币虼肆_格斯大學(xué)早已批準(zhǔn)了非獨家的專利技術(shù)CMA,同時作為可調(diào)基質(zhì)底物和生物墨水進(jìn)入市場?!拔覀兪峙d奮地期待著其他工程師和科學(xué)家們使用我們的材料?!?/span>
“我很樂意解釋為,使CMA具備熱可逆性是我們的研究目標(biāo),”Shreiber總結(jié)說,“但這確實是一個意外的發(fā)現(xiàn)?!?/span>