哈佛医学院Yu Shrike Zhang教授Adv. Funct. Mater.：具有形状可记忆功能的可注射等级孔水凝胶的3D生物打印

【引言】

在组织缺损空间内直接注射与缺损空间相吻合的细胞负载水凝胶，可在避免侵入性外科手术的同时实现组织再生修复，因此可注射水凝胶在组织再生医学中应用前景广泛。多孔水凝胶由于内部存在着大量孔结构，在注射或者受压变形时比普通水凝胶有更好的形状记忆功能。目前已报道的采用冻干成孔的可注射水凝胶虽然可压缩性能较佳，却不能在形成水凝胶的过程中直接加载细胞。因此，如何突破材料自身的限制，实现具有负载细胞且形状可记忆水凝胶的3D生物打印是必须解决的一个问题。

【成果简介】

哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授课题组制备出一种基于甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的可以直接打印形成具有纳米孔-微孔-大孔多级孔结构的水凝胶结构的生物墨水，实现了能匹配复杂缺损组织结构的细胞负载多孔水凝胶模块的快速成型。利用甲基丙烯酰化明胶本身具有的纳米结构，基于双水相乳液原理制备的生物墨水可以直接产生具有微米级别的连续孔结构，而采用3D生物打印技术可以在打印过程中形成宏观孔结构。由于纳米孔-微孔-大孔多级孔结构的存在，该细胞负载多孔水凝胶模块在受到挤压或者注射后能快速恢复其初始形状，并且具有较高的细胞活性、增值、伸展和分化能力。此外，体内研究结果进一步表明，构建的多孔水凝胶可以很好地与周围的宿主组织结合。这项研究表明，具有纳米孔-微孔-大孔多级孔的细胞负载水凝胶结构的3D生物打印在微创组织再生和细胞治疗方面应用前景广阔。

相关成果以“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Properties”为题在Advanced Functional Materials上发表。哈佛大学应国量博士和姜楠博士为该论文的共同第一作者。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740

【图文简介】

图1. 3D生物打印具有纳米孔-微孔-大孔多级孔结构的可注射水凝胶模块示意图。

图2. 等级孔水凝胶的材料表征。

图3. 等级孔水凝胶形貌保持性能表征。

图4. 等级孔水凝胶可注射性能测试。

图5. 等级孔水凝胶受压、注射前后细胞的活性、增殖及伸展性能的评估。

图6. 等级孔水凝胶受压、注射前后人间充质干细胞的分化能力表征。

图7. 可注射等级孔水凝胶体内表征。

【小结】

综上所述，相较于标准水凝胶，具有纳米孔-微孔-大孔等级孔结构的水凝胶受压及注射前后形状记忆和保持功能得到了极大的优化，具有良好的细胞活性、增殖、伸展和分化性能。同时，可以采用3D生物打印的优点使之形状可控性得到极大的提高，可适用于组织工程、再生医学和个性化治疗等各种应用。

【作者简介】

Yu Shrike Zhang教授

Yu Shrike Zhang博士于美国哈佛大学医学院担任助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物医学工程系取得博士学位。研究领域包括生物打印及器官芯片的平台搭建与应用研究，在相关领域发表研究论文及综述200余篇，包括以第一或通讯作者发表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials等，其中超过40篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/STAT News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、C&EN、《滚球体育 日报》等报道。担任十余本杂志的主编、副主编和编委，曾获得多种国际和地区性奖项40余项。课题组网页：https://shrikezhang.com/

本文由作者团队供稿。