近紅外光交聯(lián)水凝膠用于活體生物3D打印

河南3D打印由于打印精度高、速度快，光固化3D打印成為組織再生等醫(yī)學(xué)研究的有利工具，然而由于現(xiàn)在光固化3D打印普遍采用波長(zhǎng)較短的光源，對(duì)組織損害較大且穿透力不高，這大大限制生物體內(nèi)3D打印的發(fā)展。近，來(lái)自意大利帕多瓦大學(xué)的Nicola Elvassore團(tuán)隊(duì)在Nature Biomedical engineering上發(fā)表題為“Intravital three-dimensional bioprinting”文章，提出了一種活體生物3D打印方法。他們開發(fā)的光敏水凝膠HCC通過(guò)生物正交雙光子環(huán)加成法，可以在大于850nm的波長(zhǎng)下交聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)在活小鼠的組織內(nèi)制造復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，他們選擇香豆素衍生物作為光敏交聯(lián)基團(tuán)（HCC）。當(dāng)暴露于在近紅外光的雙光子激發(fā)下時(shí)，香豆素衍生物有可以發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應(yīng)，從而使水凝膠發(fā)生交聯(lián)固化，這種方式大大增強(qiáng)了對(duì)生物組織的穿透能力。同時(shí)由于香豆素介導(dǎo)的環(huán)加成沒(méi)有自由基的產(chǎn)生，從避免對(duì)活組織的損害。

河南3D打印用于活體生物3D打印的可注射HCC共軛聚合物合成原理作者通過(guò)一系列的表征手段來(lái)展示光敏水凝膠HCC獨(dú)特的理化性質(zhì)，結(jié)果表明，通過(guò)使用HCC聚合物溶液的紅外光介導(dǎo)的光學(xué)交聯(lián)，可以生產(chǎn)具有3D定位、微米分辨率和可調(diào)機(jī)械剛度的3D水凝膠。

為了驗(yàn)證活體生物打印的可行性，隨后作者在小鼠的皮膚上進(jìn)行了3D打印實(shí)驗(yàn)。使用雙光子顯微鏡將HCC聚合物溶液暴露于聚焦脈沖近紅外激光（λ= 850 nm）中。結(jié)果表明，在肌纖維表面制造3D水凝膠不會(huì)明顯改變總體肌纖維形態(tài)和結(jié)締組織完整性，且水凝膠僅在進(jìn)行光反應(yīng)的區(qū)域形成，可以進(jìn)行3D打印。

后作者研究了該方法在生物組織中打印的可行性。通過(guò)在HCC明膠溶液中負(fù)載纖維細(xì)胞和MuSCs，來(lái)驗(yàn)證生物打印是否可以促進(jìn)骨骼肌的新生形成。結(jié)果表明，在小鼠后肢肌肉外膜下對(duì)供體肌肉來(lái)源的干細(xì)胞進(jìn)行活體3D生物打印，可導(dǎo)致小鼠肌纖維的新生形成。

該研究證實(shí)了近紅外光激發(fā)下進(jìn)行活體生物3D打印的可行性。這種活體3D生物打印不會(huì)對(duì)生物組織造成傷害且具有非常高的組織穿透能力，可以利用常用的多光子顯微鏡對(duì)生物打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，使活鼠組織內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)得以制造，包括真皮、骨骼肌和大腦。

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