《Materials Horizons》綜述：點擊化學(xué)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(xì)胞和大分子的3D支架，這些細(xì)胞和分子可應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)。為了能夠成功制備生物墨水，采用了使用交聯(lián)劑的策略。然而，其中一些策略可能會損害生物墨水的細(xì)胞相容性。為了規(guī)避這一挑戰(zhàn)，有人提議采用點擊化學(xué)技術(shù)。點擊化學(xué)可以在不存在有問題的交聯(lián)劑的情況下制備調(diào)節(jié)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(xì)胞活力特性不受影響。
近日，來自信陽師范大學(xué)的聶磊、金陵工業(yè)大學(xué)的鄧亞玲聯(lián)合布魯塞爾自由大學(xué)的Amin Shavandi團(tuán)隊研究探索了在特定的生物打印技術(shù)中使用不同點擊化學(xué)物質(zhì)的潛力。還確定了使用點擊化學(xué)生產(chǎn)的主要生物墨水，并討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來的趨勢。預(yù)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(xué)物質(zhì)奠定基礎(chǔ)，從而對組織工程領(lǐng)域具有寶貴價值。相關(guān)論文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在線發(fā)表于雜志《Materials Horizons》上。
點擊化學(xué)受到自然界生物分子合成的啟發(fā)，專注于化學(xué)反應(yīng)的效率、自發(fā)性、選擇性和模塊性。它可以在短時間內(nèi)通過小單元的剪接或動態(tài)組合來合成各種分子。點擊化學(xué)反應(yīng)是指在嚴(yán)格的技術(shù)要求控制下，在溫和的反應(yīng)條件下，利用活性反應(yīng)物“連接”基于C-X-C鍵的分子物質(zhì)或組分的化學(xué)技術(shù)。它具有原料易得、對水或氧氣不敏感、反應(yīng)速度快、產(chǎn)物易于分離和產(chǎn)率高等優(yōu)點。3D生物打印領(lǐng)域中常見的點擊化學(xué)反應(yīng)主要包括：疊氮炔環(huán)加成反應(yīng)、菌株促進(jìn)疊氮炔環(huán)加成、Diels-Alder反應(yīng)、硫醇烯反應(yīng)、硫醇-邁克爾反應(yīng)、肟點擊反應(yīng)和醛酰肼反應(yīng)（圖1）。
擠出生物打印技術(shù)對細(xì)胞和材料具有廣泛的選擇性，能夠以高細(xì)胞密度分散高粘性生物墨水。擠出生物打印系統(tǒng)通過噴嘴連續(xù)擠壓生物墨水，形成逐層制造的3D結(jié)構(gòu)（圖2）。立體光刻（SLA）生物打印是一種無噴嘴的3D打印技術(shù)，通過光引發(fā)實現(xiàn)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(qū)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(xì)胞的混合物。所需的生物墨水應(yīng)滿足三個基本要求，即可印刷性、良好的結(jié)構(gòu)完整性和印刷后的穩(wěn)定性以及適當(dāng)?shù)募?xì)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(xì)特征和化學(xué)結(jié)構(gòu)（表1和表2）。
透明質(zhì)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(jié)構(gòu)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(xì)胞封裝、生物打印、微細(xì)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(jìn)細(xì)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(jīng)常用作犧牲材料。在印刷結(jié)構(gòu)完成后，將其溶解以獲得所需的產(chǎn)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(jié)構(gòu)（圖6）。
海藻酸鹽溶液具有良好的流動性，由于其在生理環(huán)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(xì)胞粘附性和較差的成型性能影響了所得3D結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(xué)性質(zhì)。
纖維素是一種線性多糖，其分子結(jié)構(gòu)富含羥基。未經(jīng)修飾的纖維素在熔化和流動之前將經(jīng)歷熱分解，從而限制了其在3D打印中的應(yīng)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(chǎn)物。3D打印的殼聚糖水凝膠表現(xiàn)出較差的機(jī)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(jìn)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(xué)反應(yīng)為生物打印和生物墨水提供了一些優(yōu)勢，包括（1）簡單溫和的反應(yīng)條件，避免有毒交聯(lián)劑對細(xì)胞的損傷，在室溫或生理溫度下促進(jìn)凝膠化，并根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)整機(jī)械性能和降解速率。（2）所得到的水凝膠也具有均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。（3）印刷結(jié)構(gòu)的印刷精度和形狀保真度得以保持和增強(qiáng)。（4）包裹在用點擊化學(xué)反應(yīng)修飾的生物墨水中的細(xì)胞表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力、擴(kuò)散和增殖。因此，點擊化學(xué)的上述優(yōu)勢為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了支持。
然而，也存在必須解決的挑戰(zhàn)。（1）單一生物墨水難以滿足生物打印的各種要求，如機(jī)械性能、交聯(lián)密度、溶脹率、分辨率等。這些因素對打印結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性、細(xì)胞包封、擴(kuò)散和增殖至關(guān)重要。因此，混合生物墨水對印刷水凝膠性能的影響需要進(jìn)一步研究。（2）應(yīng)特別注意在反應(yīng)后完全去除有毒的催化劑或引發(fā)劑，避免其對生物組織的傷害，并獲得更高質(zhì)量和高安全性的產(chǎn)品。（3）常見的天然水凝膠材料可能會對點擊化學(xué)帶來一些不相容性挑戰(zhàn)，因此可能需要引入可能不符合安全法規(guī)的替代反應(yīng)物。（4）使用多次點擊反應(yīng)制備結(jié)構(gòu)時，發(fā)生不可預(yù)測的副反應(yīng)的風(fēng)險增加，這可能會影響整個過程。（5）有必要在改進(jìn)點擊化學(xué)和了解安全限制方面開展更多工作，因為這種改進(jìn)將促進(jìn)3D生物打印的進(jìn)一步發(fā)展，并加速點擊化學(xué)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的臨床試驗中的應(yīng)用。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J
近日，來自信陽師范大學(xué)的聶磊、金陵工業(yè)大學(xué)的鄧亞玲聯(lián)合布魯塞爾自由大學(xué)的Amin Shavandi團(tuán)隊研究探索了在特定的生物打印技術(shù)中使用不同點擊化學(xué)物質(zhì)的潛力。還確定了使用點擊化學(xué)生產(chǎn)的主要生物墨水，并討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來的趨勢。預(yù)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(xué)物質(zhì)奠定基礎(chǔ)，從而對組織工程領(lǐng)域具有寶貴價值。相關(guān)論文“Click Chemistry for 3D Bioprinting”于2023年5月2日在線發(fā)表于雜志《Materials Horizons》上。
點擊化學(xué)受到自然界生物分子合成的啟發(fā)，專注于化學(xué)反應(yīng)的效率、自發(fā)性、選擇性和模塊性。它可以在短時間內(nèi)通過小單元的剪接或動態(tài)組合來合成各種分子。點擊化學(xué)反應(yīng)是指在嚴(yán)格的技術(shù)要求控制下，在溫和的反應(yīng)條件下，利用活性反應(yīng)物“連接”基于C-X-C鍵的分子物質(zhì)或組分的化學(xué)技術(shù)。它具有原料易得、對水或氧氣不敏感、反應(yīng)速度快、產(chǎn)物易于分離和產(chǎn)率高等優(yōu)點。3D生物打印領(lǐng)域中常見的點擊化學(xué)反應(yīng)主要包括：疊氮炔環(huán)加成反應(yīng)、菌株促進(jìn)疊氮炔環(huán)加成、Diels-Alder反應(yīng)、硫醇烯反應(yīng)、硫醇-邁克爾反應(yīng)、肟點擊反應(yīng)和醛酰肼反應(yīng)（圖1）。
圖1 3D生物打印中使用的點擊化學(xué)總結(jié)
擠出生物打印技術(shù)對細(xì)胞和材料具有廣泛的選擇性，能夠以高細(xì)胞密度分散高粘性生物墨水。擠出生物打印系統(tǒng)通過噴嘴連續(xù)擠壓生物墨水，形成逐層制造的3D結(jié)構(gòu)（圖2）。立體光刻（SLA）生物打印是一種無噴嘴的3D打印技術(shù)，通過光引發(fā)實現(xiàn)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(qū)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(shè)計及其細(xì)胞嵌入的微觀結(jié)構(gòu)
圖3 基于硫醇烯光化學(xué)的立體光刻及其力學(xué)行為
圖4 噴墨3D打印生物基彈性體，利用光引發(fā)的硫醇烯點擊化學(xué)
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(xì)胞的混合物。所需的生物墨水應(yīng)滿足三個基本要求，即可印刷性、良好的結(jié)構(gòu)完整性和印刷后的穩(wěn)定性以及適當(dāng)?shù)募?xì)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(xì)特征和化學(xué)結(jié)構(gòu)（表1和表2）。
表1 用于3D打印的典型生物墨水的詳細(xì)特性（部分）
表2 用于點擊反應(yīng)的功能化生物墨水化學(xué)結(jié)構(gòu)（部分）
透明質(zhì)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(jié)構(gòu)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(xì)胞封裝、生物打印、微細(xì)胞毒性等問題（圖5）。
圖5 透明質(zhì)酸生物墨水栓系轉(zhuǎn)化生長因子β1的交聯(lián)機(jī)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(jìn)細(xì)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(jīng)常用作犧牲材料。在印刷結(jié)構(gòu)完成后，將其溶解以獲得所需的產(chǎn)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(jié)構(gòu)（圖6）。
圖6 硫醇烯化學(xué)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(huán)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(xì)胞粘附性和較差的成型性能影響了所得3D結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(xué)性質(zhì)。
纖維素是一種線性多糖，其分子結(jié)構(gòu)富含羥基。未經(jīng)修飾的纖維素在熔化和流動之前將經(jīng)歷熱分解，從而限制了其在3D打印中的應(yīng)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(xué)結(jié)構(gòu)、改性反應(yīng)、交聯(lián)機(jī)理及其通過硫醇-烯反應(yīng)的交聯(lián)機(jī)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(chǎn)物。3D打印的殼聚糖水凝膠表現(xiàn)出較差的機(jī)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(jìn)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(xué)反應(yīng)為生物打印和生物墨水提供了一些優(yōu)勢，包括（1）簡單溫和的反應(yīng)條件，避免有毒交聯(lián)劑對細(xì)胞的損傷，在室溫或生理溫度下促進(jìn)凝膠化，并根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)整機(jī)械性能和降解速率。（2）所得到的水凝膠也具有均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。（3）印刷結(jié)構(gòu)的印刷精度和形狀保真度得以保持和增強(qiáng)。（4）包裹在用點擊化學(xué)反應(yīng)修飾的生物墨水中的細(xì)胞表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力、擴(kuò)散和增殖。因此，點擊化學(xué)的上述優(yōu)勢為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了支持。
然而，也存在必須解決的挑戰(zhàn)。（1）單一生物墨水難以滿足生物打印的各種要求，如機(jī)械性能、交聯(lián)密度、溶脹率、分辨率等。這些因素對打印結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性、細(xì)胞包封、擴(kuò)散和增殖至關(guān)重要。因此，混合生物墨水對印刷水凝膠性能的影響需要進(jìn)一步研究。（2）應(yīng)特別注意在反應(yīng)后完全去除有毒的催化劑或引發(fā)劑，避免其對生物組織的傷害，并獲得更高質(zhì)量和高安全性的產(chǎn)品。（3）常見的天然水凝膠材料可能會對點擊化學(xué)帶來一些不相容性挑戰(zhàn)，因此可能需要引入可能不符合安全法規(guī)的替代反應(yīng)物。（4）使用多次點擊反應(yīng)制備結(jié)構(gòu)時，發(fā)生不可預(yù)測的副反應(yīng)的風(fēng)險增加，這可能會影響整個過程。（5）有必要在改進(jìn)點擊化學(xué)和了解安全限制方面開展更多工作，因為這種改進(jìn)將促進(jìn)3D生物打印的進(jìn)一步發(fā)展，并加速點擊化學(xué)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的臨床試驗中的應(yīng)用。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D3MH00516J
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