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重大发现!阿尔托大学开发出一种用于心脏组织应用的新型生物墨水

来源:原创

发布时间:2020-05-25 13:59:33

点击量:487

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aau讯(编辑 卢晶)近日,位于芬兰首都赫尔辛基郊区的阿尔托大学生物产品与生物系统系的研究员开发除了一款新的生物墨水配方,名为纳米纤维素。


据了解,芬兰是欧洲森林最多的国家之一。该国北方森林超过70%的地方覆盖着云杉、松树、桦树和白桦树。而所有这些树木都有一个共同点,那就是含有纳米纤维素。这是一种由植物获得的轻质固体物质,包含纤维素纳米纤维(CNF),被认为是伪塑料。该物质具有特定种类的凝胶特性,通常在正常条件下会变稠。总之,它是一种非常环保且无毒的物质,可与人体兼容,有望用于一系列医疗应用。


得益于与细胞外基质的结构相似性以及支持与关键细胞活性的出色生物相容性,纳米纤维素的生物打印技术在组织工程和再生医学领域的潜力已显而易见。通常情况下,较稠且易流动的轻质物质是非常适合用于开发生物墨水,这些墨水既适合生产也可扩展,具有一致的性能。但是,在加工纳米纤维素方面将会面临重大挑战。



正如阿尔托大学的研究人员在科学期刊ACS出版的论文中所描述的那样,基于纳米纤维素的生物墨水配方的未解决的挑战是阻止该物质成为生物3D打印结构的首选材料之一。基于此,芬兰研究人员致力于开发单组分生物墨水,该生物墨水可用于制造在心脏生物医学设备中具有潜在应用的支架,同时从根本上解决使用基于纳米纤维素的生物墨水的某些局限性。


该论文的合著者、阿尔托生物产品和生物系统学系的博士候选人Rubina Ajdary说:“除了自然丰度和可再生资源以外,纳米纤维素在组织工程中也有着出色表现。”她还建议道:“最近考虑将纳米纤维素与其他生物聚合物结合使用,例如在多组分油墨配方或封装纳米颗粒时使用。我们对研究单组分纳米纤维素在3D打印支架方面的潜力非常感兴趣,该支架不需要交联即可提高强度或坚固性。”


实际上,由Orlando Rojas领导的阿尔托大学生物基胶体和材料(BiCMat)的研究小组提出了木纤维的异质乙酰化方法,以简化其对乙酰化纳米纤维素(AceCNF)的解构。作为应用于3D支架的独特的生物材料,该团队考虑使用纳米纤维素,因为该物质具有天然、易于灭菌和高稳定性的孔隙率,因此选择引入AceCNF来生成可植入人体的3D打印支架。以便研究小组继续研究支架与心肌成肌细胞之间的相互作用。


“多次修饰会使水凝胶在3D打印后(在干燥或润湿时)容易出现尺寸不稳定性。如果油墨被高度稀释,会加剧不稳定性(这是纳米纤维素悬浮液的典型特征,低浓度时则会形成凝胶)。” Ajdary说道。“这种不稳定性是导致纳米纤维素与其他化合物结合的主要原因之一。取而代之的是,在这项研究中,我们提出了木质纤维的异质乙酰化方法,以简化其对直接墨水打印的乙酰化纳米纤维素的解构。与天然纳米纤维素相比,乙酰化纳米纤维素具有更高的表面电荷,即使在浓度明显降低的情况下,也能减少聚集并有利于挤出后保持结构。”


这正是为什么要开发单组分生物墨水的重要原因。当与其他生物聚合物和颗粒结合时,纳米纤维素已显示出新希望。但是,Ajdary坚持认为,纳米纤维素具有与细胞外基质的相似性、高孔隙率、高溶胀能力、易于表面改性以及纤维素的剪切稀化性质,因此研究单组分表面改性的纳米纤维素非常有潜力。






阿尔托大学的研究团队使用可持续且广泛使用的纳米纤维素来制作几种生物墨水配方,并对它们进行评估,包括未修饰的纳米纤维素CNF、乙酰化CNF(AceCNF)和TEMPO氧化的CNF。


为了对水凝胶进行生物3D打印,研究人员使用了Cellink生物打印机,该设备具有用户友好性,可提供很大的灵活性来测试生产的不同类型的水凝胶和乳液。


在这一新工艺中,使用Cellink的BIO X生物打印机将单组分纳米纤维素油墨3D打印到支架上,该设备配备了气动打印喷嘴,用于挤出单根线材并形成3D结构,然后冷冻干燥以避免大量收缩,并在紫外线下灭菌。灭菌后,准备好支架并将细胞接种在样品上。


据悉,低浓度的乙酰化纳米纤维素在挤出后打印的3D结构非常稳定。Ajdary指出,在潮湿条件下,较低的浓度有助于脱水后的支架具有更高的孔隙率,从而可以提高细胞在结构中的渗透率,并有助于营养物向细胞的运输以及代谢废物的运输。


研究人员称该方法是成功的,因为3D打印的支架与心肌母细胞兼容,并且能够使其增殖和附着,且该构建体无毒。尽管该研究仍处于研究阶段,但这些生物墨水和技术可被低价地制造和存储,并用作打印心脏结构的再生基础材料。


基于单组分纳米纤维素的生物墨水是这项研究的亮点,这为按比例放大制造适用于细胞过程和组织工程研究的支架提供了可能性。这是一项正在进行的研究,他们会继续进一步测试他们的独特技术。







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