用于3D生物打印细胞力学微环境的生物墨水开发

来源：IJB国际生物打印
作者：Yanshen Yang1,2, Yuanbo Jia1,2, Qingzhen Yang1,2, Feng Xu1,2*
机构：
1 西安交通大学，生命科学与技术学院，生物医学信息工程教育部重点实验室
2 西安交通大学，仿生工程与生物力学研究中心

文章亮点
     本文总结了细胞力学微环境的关键力学因素，分析了基质刚度、粘弹性、表面形貌和动态力学刺激等要素对细胞行为的影响。系统评估了多种工程生物墨水的力学特性，分析了天然与合成生物墨水的特点，并重点探讨了构建细胞力学微环境的生物墨水选择原则。详细讨论了生物墨水面临的挑战，包括力学特性调控的复杂性及现有技术的局限性，并探讨了潜在解决策略。展望了生物墨水在组织工程和再生医学领域的应用前景，强调了其在精准模拟体内微环境方面的巨大潜力。
研究背景
     在组织工程与再生医学领域，3D生物打印技术凭借其精准构建复杂组织结构的能力而备受关注。生物墨水作为该技术的核心材料，其力学特性对细胞微环境的构建至关重要。然而，现有生物墨水难以全面模拟体内细胞外基质（ECM）的力学微环境，尤其是细胞对力学信号的响应机制尚未完全明确，这限制了组织工程的发展。因此，深入研究生物墨水的力学特性及优化策略，对于提升3D生物打印构建组织的功能性和生物相容性具有重要意义。
研究进展
1.细胞力学微环境
刚度：刚度是材料抵抗变形的能力，通常由弹性模量表征。活组织刚度范围广泛，如骨组织弹性模量高达20 GPa，而粘液仅11 Pa。细胞能感知基质刚度并调整自身行为，如多能基质细胞会依基质刚度分化为不同类型细胞。细胞微环境刚度是动态变化的，受细胞活动影响。

粘弹性：生物组织具有粘弹性，表现为受力时既有弹性变形又有粘性流动。粘弹性受多种因素影响，其动态特性使材料受适度应力时可恢复形状，受过度应力时则不可逆地改变形状。应力松弛是粘弹性常见表现，对细胞分化、扩展和迁移有影响。

表面形貌：表面形貌涵盖粗糙度和图案等因素。粗糙度影响材料润湿性和细胞附着，而图案化表面可引导细胞排列。如沟槽图案引导细胞沿特定方向生长。

动态力学刺激：动态力学刺激模拟活组织运动，如肌肉拉伸和软骨剪切。在微观层面，材料变形引起的细胞附着位点变化和分子链滑动产生的应力变化，都可能转化为细胞的机械信号，影响细胞活动。

2.生物墨水的特性
水凝胶生物墨水：水凝胶生物墨水由亲水性大分子组成，模拟ECM特性。分为天然和合成两类，天然水凝胶如明胶、海藻酸盐和胶原蛋白等具有良好的生物相容性，合成水凝胶如PEG和PAAm则力学特性可调。其力学特性受浓度和交联度影响，过高浓度会限制细胞活动。

非水凝胶生物墨水：非水凝胶生物墨水通常作为支架材料，如脂肪族聚酯，具有无毒性、可生物降解性和良好生物相容性。其熔点和降解速率随结晶度和亲水性变化，可通过与其他材料复合或化学改性优化力学性能。

3.基本力学微环境和生物墨水
静态力学微环境：静态力学微环境指不随时间变化的力学条件。高初始刚度材料如PCL等可模拟骨组织微环境，促进成骨细胞分化。水凝胶通过调整浓度和交联度控制初始刚度，但过高浓度会限制细胞活动，双网络系统可解决此问题。

表面形貌：表面形貌控制需同时考虑刚度和制造精度。光刻在这方面具优势，但水凝胶膨胀会影响图案分辨率。应选择膨胀比低的生物墨水，并可通过嵌入式网络增强水凝胶。

4.复杂力学微环境和生物墨水面临的挑战
各向异性力学微环境：常用生物墨水力学特性与体内组织不匹配，缺乏各向异性和复杂性。通过非均匀生物墨水排列可实现各向异性微环境，如同轴生物打印或多喷头生物打印制造梯度刚度结构。

动态力学微环境：结构和细胞共培养时，初始刚度会变化，产生时间刚度梯度。生物墨水的降解和细胞分泌ECM共同决定力学微环境的时间变化，应力松弛可模拟，粘弹性可调。动态力学刺激对生物墨水结构要求高，需确保结构完整性。
 

未来方向
研究逐渐揭示细胞力学微环境的影响因素和原理。利用生物墨水和支架材料通过3D生物打印技术构建细胞力学微环境具有良好的可行性和广阔的应用前景，无论是用于机制探索、作为疾病模型的药物测试，还是组织再生模拟。可通过总结方法和经验得出选择策略，但现有研究存在横向比较难等问题。无论是在宏观还是微观尺度，无论是在拉伸还是剪切方向上，控制变量都至关重要，应确保其与研究目标精确匹配。在控制材料表面黏附变量时，应以表面刚度而非体积刚度作为比较标准。杨氏模量和剪切模量不应进行横向比较，原子力显微镜和流变仪的结果也不应在同一系统中进行比较。在参考其他文献中的刚度实验时，应重点关注实验方法的可比性。

相互排斥的变量对于力学微环境模拟也具有挑战性。例如，当基质刚度受浓度控制时，分子链的空间会发生变化，这实际上会限制细胞的运动和重塑行为。 此外，宏观结构对力学微环境的影响尚不清楚。不同尺度下活组织所表现出的力学差异有待进一步解释。因此，仍需开展大量研究来确定在忽略这些未知量后，结果是否能够作为对力学微环境的真实响应。

当前材料科学发展仍存在明显局限，生物墨水在模拟天然细胞外基质（ECM）特性方面远未臻于完善。其刚度调节范围有限，应力松弛特性与天然组织存在显著差异，这些缺陷都不利于细胞介导的ECM重塑。正因如此，既往研究往往被迫忽略大量不可控因素。然而值得关注的是，随着四维生物打印技术的突破和智能材料的创新发展，具有主动力学性能调控能力的材料体系不断涌现。例如具有自变形特性的打印结构，以及能够实现刚度自适应动态调节的主客体大分子单体水凝胶等。这些突破性进展必将大幅拓展体外模拟细胞力学微环境的研究维度，推动该领域研究迈向新的高度。

通讯作者
 

徐峰  教授
西安交通大学
西安交通大学生命学院教授/院长、医学部副主任（兼）、生物医学信息工程教育部重点实验室主任、国家医学攻关产教融合平台（医工方向）智慧诊断技术及装备中心主任。先后入选国家青年人才计划、国家优青、杰青、享受国务院政府特殊津贴专家等。围绕生物多尺度多物理场的共性科学问题和技术挑战，按照“生物力学基础理论-生物技术研发-临床转化推广”的研究思路，系统开展了多尺度生物力-热-电耦合学的基础和应用研究，并将成果应用于药物筛选、疾病诊疗和航天医学等生物医学领域。重要成果体现为4本专著、350余篇国际期刊论文及80余项授权发明专利；研究成果被引用30000余次（H因子102）。获“国家自然科学奖”二等奖、“教育部科学技术奖”一等奖、“中华医学科技奖”一等奖等科技奖，并获“中国力学青年科技奖”及“陕西青年科技标兵”等个人荣誉。担任多个国际期刊的副主编及多个国际学术组织的委员。

文章链接：https://doi.org/10.18063/ijb.v9i1.632

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