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近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印

2020-08-27

近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印


河南3D打印由于打印精度高、速度快,光固化3D打印成为组织再生等医学研究的有利工具,然而由于现在光固化3D打印普遍采用波长较短的光源,对组织损害较大且穿透力不高,这大大限制生物体内3D打印的发展。近,来自意大利帕多瓦大学的Nicola Elvassore团队在Nature Biomedical engineering上发表题为“Intravital three-dimensional bioprinting”文章,提出了一种活体生物3D打印方法。他们开发的光敏水凝胶HCC通过生物正交双光子环加成法,可以在大于850nm的波长下交联,可实现在活小鼠的组织内制造复杂组织结构。


如图1所示,他们选择香豆素衍生物作为光敏交联基团(HCC)。当暴露于在近红外光的双光子激发下时,香豆素衍生物有可以发生[2+2]环加成反应,从而使水凝胶发生交联固化,这种方式大大增强了对生物组织的穿透能力。同时由于香豆素介导的环加成没有自由基的产生,从避免对活组织的损害。

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河南3D打印用于活体生物3D打印的可注射HCC共轭聚合物合成原理作者通过一系列的表征手段来展示光敏水凝胶HCC独特的理化性质,结果表明,通过使用HCC聚合物溶液的红外光介导的光学交联,可以生产具有3D定位、微米分辨率和可调机械刚度的3D水凝胶。


为了验证活体生物打印的可行性,随后作者在小鼠的皮肤上进行了3D打印实验。使用双光子显微镜将HCC聚合物溶液暴露于聚焦脉冲近红外激光(λ= 850 nm)中。结果表明,在肌纤维表面制造3D水凝胶不会明显改变总体肌纤维形态和结缔组织完整性,且水凝胶仅在进行光反应的区域形成,可以进行3D打印。


后作者研究了该方法在生物组织中打印的可行性。通过在HCC明胶溶液中负载纤维细胞和MuSCs,来验证生物打印是否可以促进骨骼肌的新生形成。结果表明,在小鼠后肢肌肉外膜下对供体肌肉来源的干细胞进行活体3D生物打印,可导致小鼠肌纤维的新生形成。


该研究证实了近红外光激发下进行活体生物3D打印的可行性。这种活体3D生物打印不会对生物组织造成伤害且具有非常高的组织穿透能力,可以利用常用的多光子显微镜对生物打印结构进行定位,使活鼠组织内部的复杂结构得以制造,包括真皮、骨骼肌和大脑。


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