Biomaterialia|基于心肌dECM的力学性能可调的生物墨

生物3D打印技术是一种新兴的生物制造技术，可用于在体外研究细胞行为和组织特性。脱细胞外基质（dECM）拥有天然组织的生物化学性质和微环境，但机械稳定性能较差，限制了其在生物3D打印中的应用。近期，华盛顿大学Yu Jung Shin团队在Acta Biomaterialia杂志发表题为“3D bioprinting of mechanically tuned bioinks derived from cardiacdecellularized extracellular matrix”的文章，报道了一种以dECM为基础，加入纳米粘土和PEG-DA的生物3D打印墨水。这种墨水表现出了优异的压缩性能、形状保真度、快速交联和细胞相容性，并能够通过改变PEG-DA的浓度调整墨水的弹性模量，表明了这种墨水在构建健康或纤维化心肌组织模型时的应用潜力。

一直以来，用于生物3D打印的生物墨水的主要挑战是如何平衡挤出过程中墨水的流变性能和基质的物理化学特性。这就需要生物墨水有“剪切变稀”的特性，即当材料在高剪切应力下能够表现出流体的特性，而在低剪切应力，或静止条件下保持较高的粘度。dECM为基础的生物墨水最大的特点是它保留了源组织特有的生长因子，细胞外基质蛋白和糖胺聚糖等；但dECM自身缺乏机械和结构稳定性，因此，若使用dECM作为生物墨水基础，需要调整墨水配方以改善其机械稳定性。尽管已经有很多方法能够改变基于dECM生物墨水的物理性能以模拟天然心脏组织，但目前还没有能够模拟纤维化后有一定组织刚度的病变心肌组织。因此，该团队提出了一种基于cdECM，结合纳米粘土和PEG-DA的生物墨水。该种材料可通过改变PEG-DA的浓度来调整材料的机械刚度；能够在细胞存活率较高的条件下在1分钟内实现光交联，弥补了前述中的局限。

将心肌组织脱细胞处理后制成预凝胶。加入纳米粘土进行改性后加入预定浓度的PEG-DA和光引发剂。改变PEG-DA的浓度可以调整力学性能。分别测量材料的流变性能，压缩模量和可打印性。此外，检测植入细胞后细胞活力。

图1 cdECM生物墨水制备及3D打印示意图

该研究验证了该种材料具有剪切变稀、自愈合特性。实验结果表明，纳米粘土能够使材料屈服应力增加，存储模量提高；PEG-DA能够增强基于cdECM的生物墨水的机械性能，能够用于构建健康或病理性心脏疾病的模型；使用逐层固化的方法，发现随高度增大线宽没有明显变化，说明了这种材料的良好的打印性能；加入纳米粘土和PEG-DA后，不同配比方案的细胞七天存活率均高于仅在cdECM中培养的细胞。

图2 不同比例的cdECM-纳米粘土-PEG-DA生物墨水的流变性能

图3 不同喷嘴尺寸、挤出压力和材料配比的生物墨水打印成型结果

图4 不同材料配比下细胞活性对比

文章报道了一种基于cdECM、复合纳米粘土和PEG-DA的生物墨水，能够通过调整PEG-DA的含量来改变墨水的力学性能，使之能表现出符合生物3D打印的剪切变稀、自愈合等特性。该种墨水能够较好模拟健康或纤维化后的心脏组织，弥补了此前墨水只能建立健康心脏模型的缺陷。

Shin, Y. J., et al. (2021)."3D bioprinting of mechanically tuned bioinks derived from cardiacdecellularized extracellular matrix." Acta Biomater 119: 75-88.