《Materials Horizons》綜述：點擊化學讓生物3D打印更安全
時間：2023-05-30 09:33 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
生物墨水被用于制造含有細胞和大分子的3D支架，這些細胞和分子可應用于再生醫學。為了能夠成功制備生物墨水，采用了使用交聯劑的策略。然而，其中一些策略可能會損害生物墨水的細胞相容性。為了規避這一挑戰，有人提議采用點擊化學技術。點擊化學可以在不存在有問題的交聯劑的情況下制備調節良好的生物墨水，同時確保生物墨水有利的凝膠化速率、降解速率和細胞活力特性不受影響。
近日，來自信陽師范大學的聶磊、金陵工業大學的鄧亞玲聯合布魯塞爾自由大學的Amin Shavandi團隊研究探索了在特定的生物打印技術中使用不同點擊化學物質的潛力。還確定了使用點擊化學生產的主要生物墨水，并討論了現有的挑戰和未來的趨勢。預計這篇綜述將為生物工程師提供重要資源，并為未來選擇特定生物墨水功能的首選點擊化學物質奠定基礎，從而對組織工程領域具有寶貴價值。相關論文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在線發表于雜志《Materials Horizons》上。
點擊化學受到自然界生物分子合成的啟發，專注于化學反應的效率、自發性、選擇性和模塊性。它可以在短時間內通過小單元的剪接或動態組合來合成各種分子。點擊化學反應是指在嚴格的技術要求控制下，在溫和的反應條件下，利用活性反應物“連接”基于C-X-C鍵的分子物質或組分的化學技術。它具有原料易得、對水或氧氣不敏感、反應速度快、產物易于分離和產率高等優點。3D生物打印領域中常見的點擊化學反應主要包括：疊氮炔環加成反應、菌株促進疊氮炔環加成、Diels-Alder反應、硫醇烯反應、硫醇-邁克爾反應、肟點擊反應和醛酰肼反應（圖1）。
擠出生物打印技術對細胞和材料具有廣泛的選擇性，能夠以高細胞密度分散高粘性生物墨水。擠出生物打印系統通過噴嘴連續擠壓生物墨水，形成逐層制造的3D結構（圖2）。立體光刻（SLA）生物打印是一種無噴嘴的3D打印技術，通過光引發實現分層固化。基于紫外線光敏材料的聚合原理，將液體光敏聚合物選擇性地逐層固化，自下而上建立三維模型（圖3）。噴墨3D打印作為一種非接觸式打印形式，也是生物3D打印中最常用的方法。其工作原理是超聲波或加熱驅動生物墨水液滴噴射到平臺上的指定位置，并最終通過逐層形成完整的圖案（圖4）。
生物墨水是指水凝膠形式的生物材料溶液或各種生物材料和細胞的混合物。所需的生物墨水應滿足三個基本要求，即可印刷性、良好的結構完整性和印刷后的穩定性以及適當的細胞相容性。作者重點介紹了用于生物打印的典型生物墨水的詳細特征和化學結構（表1和表2）。
透明質酸（HA）是一種天然酸性糖胺聚糖，具有良好的生物相容性和良好的親水性。然而，純HA由于其粘性液體行為和缺乏維持三維結構的凝膠化能力而不能形成滿足多種條件的成熟生物墨水。通過用巰基或烯基修飾HA可以有效地彌補HA的不足。這可以解決細胞封裝、生物打印、微細胞毒性等問題（圖5）。
明膠是膠原蛋白部分水解的天然聚合物，有利于促進細胞粘附和增殖。由于明膠具有溫度敏感性和熱可逆性，在生物打印過程中經常用作犧牲材料。在印刷結構完成后，將其溶解以獲得所需的產品。硫醇烯修飾明膠生物墨水具有多功能性和可控性，能夠打印所需的幾何形狀和結構（圖6）。
海藻酸鹽溶液具有良好的流動性，由于其在生理環境中的快速凝膠化性能，通常作為生物墨水用于噴墨打印。然而，其低的細胞粘附性和較差的成型性能影響了所得3D結構的穩定性、形狀保真度和打印精度。為了解決這個問題，可以通過用功能分子修飾藻酸鹽或與其他大分子混合來改善藻酸鹽生物墨水的物理化學性質。
纖維素是一種線性多糖，其分子結構富含羥基。未經修飾的纖維素在熔化和流動之前將經歷熱分解，從而限制了其在3D打印中的應用。然而，官能化纖維素可用于制備生物墨水（圖7）。
殼聚糖由葡糖胺和N-乙酰葡糖胺以β（1-4）的方式連接而成，是甲殼素脫乙酰后的產物。3D打印的殼聚糖水凝膠表現出較差的機械性能和緩慢的凝膠化性能，為了解決這個問題，可以同時進行擠出沉積和丙烯酸硫醇光聚合來制備快速凝膠。
點擊化學反應為生物打印和生物墨水提供了一些優勢，包括（1）簡單溫和的反應條件，避免有毒交聯劑對細胞的損傷，在室溫或生理溫度下促進凝膠化，并根據應用要求調整機械性能和降解速率。（2）所得到的水凝膠也具有均勻的交聯網絡。（3）印刷結構的印刷精度和形狀保真度得以保持和增強。（4）包裹在用點擊化學反應修飾的生物墨水中的細胞表現出良好的細胞活力、擴散和增殖。因此，點擊化學的上述優勢為組織工程和再生醫學的發展和應用提供了支持。
然而，也存在必須解決的挑戰。（1）單一生物墨水難以滿足生物打印的各種要求，如機械性能、交聯密度、溶脹率、分辨率等。這些因素對打印結構的形狀穩定性、細胞包封、擴散和增殖至關重要。因此，混合生物墨水對印刷水凝膠性能的影響需要進一步研究。（2）應特別注意在反應后完全去除有毒的催化劑或引發劑，避免其對生物組織的傷害，并獲得更高質量和高安全性的產品。（3）常見的天然水凝膠材料可能會對點擊化學帶來一些不相容性挑戰，因此可能需要引入可能不符合安全法規的替代反應物。（4）使用多次點擊反應制備結構時，發生不可預測的副反應的風險增加，這可能會影響整個過程。（5）有必要在改進點擊化學和了解安全限制方面開展更多工作，因為這種改進將促進3D生物打印的進一步發展，并加速點擊化學在組織工程和再生醫學應用的臨床試驗中的應用。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J
近日，來自信陽師范大學的聶磊、金陵工業大學的鄧亞玲聯合布魯塞爾自由大學的Amin Shavandi團隊研究探索了在特定的生物打印技術中使用不同點擊化學物質的潛力。還確定了使用點擊化學生產的主要生物墨水，并討論了現有的挑戰和未來的趨勢。預計這篇綜述將為生物工程師提供重要資源，并為未來選擇特定生物墨水功能的首選點擊化學物質奠定基礎，從而對組織工程領域具有寶貴價值。相關論文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在線發表于雜志《Materials Horizons》上。
點擊化學受到自然界生物分子合成的啟發，專注于化學反應的效率、自發性、選擇性和模塊性。它可以在短時間內通過小單元的剪接或動態組合來合成各種分子。點擊化學反應是指在嚴格的技術要求控制下，在溫和的反應條件下，利用活性反應物“連接”基于C-X-C鍵的分子物質或組分的化學技術。它具有原料易得、對水或氧氣不敏感、反應速度快、產物易于分離和產率高等優點。3D生物打印領域中常見的點擊化學反應主要包括：疊氮炔環加成反應、菌株促進疊氮炔環加成、Diels-Alder反應、硫醇烯反應、硫醇-邁克爾反應、肟點擊反應和醛酰肼反應（圖1）。
圖1 3D生物打印中使用的點擊化學總結
擠出生物打印技術對細胞和材料具有廣泛的選擇性，能夠以高細胞密度分散高粘性生物墨水。擠出生物打印系統通過噴嘴連續擠壓生物墨水，形成逐層制造的3D結構（圖2）。立體光刻（SLA）生物打印是一種無噴嘴的3D打印技術，通過光引發實現分層固化。基于紫外線光敏材料的聚合原理，將液體光敏聚合物選擇性地逐層固化，自下而上建立三維模型（圖3）。噴墨3D打印作為一種非接觸式打印形式，也是生物3D打印中最常用的方法。其工作原理是超聲波或加熱驅動生物墨水液滴噴射到平臺上的指定位置，并最終通過逐層形成完整的圖案（圖4）。
圖2 可光點擊生物墨水的設計及其細胞嵌入的微觀結構
圖3 基于硫醇烯光化學的立體光刻及其力學行為
圖4 噴墨3D打印生物基彈性體，利用光引發的硫醇烯點擊化學
生物墨水是指水凝膠形式的生物材料溶液或各種生物材料和細胞的混合物。所需的生物墨水應滿足三個基本要求，即可印刷性、良好的結構完整性和印刷后的穩定性以及適當的細胞相容性。作者重點介紹了用于生物打印的典型生物墨水的詳細特征和化學結構（表1和表2）。
表1 用于3D打印的典型生物墨水的詳細特性（部分）
表2 用于點擊反應的功能化生物墨水化學結構（部分）
透明質酸（HA）是一種天然酸性糖胺聚糖，具有良好的生物相容性和良好的親水性。然而，純HA由于其粘性液體行為和缺乏維持三維結構的凝膠化能力而不能形成滿足多種條件的成熟生物墨水。通過用巰基或烯基修飾HA可以有效地彌補HA的不足。這可以解決細胞封裝、生物打印、微細胞毒性等問題（圖5）。
圖5 透明質酸生物墨水栓系轉化生長因子β1的交聯機理及表征
明膠是膠原蛋白部分水解的天然聚合物，有利于促進細胞粘附和增殖。由于明膠具有溫度敏感性和熱可逆性，在生物打印過程中經常用作犧牲材料。在印刷結構完成后，將其溶解以獲得所需的產品。硫醇烯修飾明膠生物墨水具有多功能性和可控性，能夠打印所需的幾何形狀和結構（圖6）。
圖6 硫醇烯化學明膠降冰片烯基生物墨水和生物打印
海藻酸鹽溶液具有良好的流動性，由于其在生理環境中的快速凝膠化性能，通常作為生物墨水用于噴墨打印。然而，其低的細胞粘附性和較差的成型性能影響了所得3D結構的穩定性、形狀保真度和打印精度。為了解決這個問題，可以通過用功能分子修飾藻酸鹽或與其他大分子混合來改善藻酸鹽生物墨水的物理化學性質。
纖維素是一種線性多糖，其分子結構富含羥基。未經修飾的纖維素在熔化和流動之前將經歷熱分解，從而限制了其在3D打印中的應用。然而，官能化纖維素可用于制備生物墨水（圖7）。
圖7 CMC、HEC、MC.A.CMC-NB的化學結構、改性反應、交聯機理及其通過硫醇-烯反應的交聯機理
殼聚糖由葡糖胺和N-乙酰葡糖胺以β（1-4）的方式連接而成，是甲殼素脫乙酰后的產物。3D打印的殼聚糖水凝膠表現出較差的機械性能和緩慢的凝膠化性能，為了解決這個問題，可以同時進行擠出沉積和丙烯酸硫醇光聚合來制備快速凝膠。
點擊化學反應為生物打印和生物墨水提供了一些優勢，包括（1）簡單溫和的反應條件，避免有毒交聯劑對細胞的損傷，在室溫或生理溫度下促進凝膠化，并根據應用要求調整機械性能和降解速率。（2）所得到的水凝膠也具有均勻的交聯網絡。（3）印刷結構的印刷精度和形狀保真度得以保持和增強。（4）包裹在用點擊化學反應修飾的生物墨水中的細胞表現出良好的細胞活力、擴散和增殖。因此，點擊化學的上述優勢為組織工程和再生醫學的發展和應用提供了支持。
然而，也存在必須解決的挑戰。（1）單一生物墨水難以滿足生物打印的各種要求，如機械性能、交聯密度、溶脹率、分辨率等。這些因素對打印結構的形狀穩定性、細胞包封、擴散和增殖至關重要。因此，混合生物墨水對印刷水凝膠性能的影響需要進一步研究。（2）應特別注意在反應后完全去除有毒的催化劑或引發劑，避免其對生物組織的傷害，并獲得更高質量和高安全性的產品。（3）常見的天然水凝膠材料可能會對點擊化學帶來一些不相容性挑戰，因此可能需要引入可能不符合安全法規的替代反應物。（4）使用多次點擊反應制備結構時，發生不可預測的副反應的風險增加，這可能會影響整個過程。（5）有必要在改進點擊化學和了解安全限制方面開展更多工作，因為這種改進將促進3D生物打印的進一步發展，并加速點擊化學在組織工程和再生醫學應用的臨床試驗中的應用。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J
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