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  哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang教授課題組報道了一種基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）的生物墨水的制備方法，實現了具有納米孔-微孔-大孔多級孔的細胞負載水凝膠結構的3D生物打印，并且證明這種可注射等級孔水凝膠在微創組織再生和細胞治療方面的應用前景。

  多孔水凝膠由于內部存在著大量孔結構，可在注射前后具有形狀記憶功能，利用該功能可以將其直接注射到組織缺損空間內與之相吻合并與周圍的宿主組織結合，實現組織再生修復。同時，該方法避免了侵入性外科手術，能極大地減輕患者的痛苦。然而，目前已報道的采用凍干成孔的可注射水凝膠雖然可壓縮性能較佳，卻不能在形成水凝膠的過程中直接加載細胞。因此，如何突破材料自身的限制，實現具有負載細胞且可壓縮及注射的水凝膠的3D生物打印是必須解決的一個問題。

  課題組利用甲基丙烯酰化明膠本身具有的納米級分子網絡結構，結合雙水相乳液原理制備出具有微米級別的連續孔結構，并采用3D生物打印技術構筑出宏觀孔結構，實現了具有納米孔-微孔-大孔多級孔結構的水凝膠的3D生物打印。（圖1）。

圖1. 3D生物打印具有納米孔-微孔-大孔多級孔結構的可注射水凝膠模塊示意圖。

  研究工作探討了聚環氧乙烷（PEO）在生物墨水中的體積占比對水凝膠孔徑的影響；根據溫度對生物墨水的稠度的影響，采取降低溫度的方法提高可打印性；并探討了聚環氧乙烷（PEO）在生物墨水中的體積占比對力學性能的影響。（圖2）

圖2. 等級孔水凝膠的材料表征。

  研究工作同時從宏觀和微管兩個方面對比了標準水凝膠和多孔水凝膠的受壓前后表現，認為等級孔的存在極大地提高了水凝膠受壓前后的形狀維持能力。（圖3）

圖3. 等級孔水凝膠形狀可記憶性能評價。

  研究工作對比了標準水凝膠和等級孔水凝膠在注射前后的結構完整性，認為等級孔的存在能提高水凝膠可注射性能。（圖4）

圖4. 等級孔水凝膠可注射性能評價。

  研究工作對水凝膠受壓、注射前后細胞的活性、增殖及伸展性能進行了評估，認為經過擠壓以及注射過程，細胞仍能保持良好的活性、增殖及伸展性能。（圖5）

圖5. 等級孔水凝膠受壓、注射前后細胞的活性、增殖及伸展性能的評估。

  研究工作隨后對等級孔水凝膠受壓、注射前后人間充質干細胞的分化能力進行了評估，認為經過擠壓以及注射過程，人間充質干細胞仍能保持良好的分化能力。（圖6）

圖6. 等級孔水凝膠受壓、注射前后人間充質干細胞的分化能力表征。

  研究工作還對可注射等級孔水凝膠的體內表現進行了評估，認為等級孔水凝膠能使體內細胞組織進入孔結構進行生長并實現組織修復。（圖7）

圖7. 可注射等級孔水凝膠體內表征。

  該研究工作展示了一種具有納米孔-微孔-大孔等級孔結構的水凝膠的制備方法，不僅提高了受壓及注射前后的形貌保持功能，同時可以在形成水凝膠的過程中直接加載細胞，細胞活性、增殖、伸展和分化性能良好。同時，可以采用3D生物打印的優點使之形狀可控性得到極大的提高，可望在組織工程、再生醫學和個性化治療方面得到應用。該工作以“Bioprinted Injectable Hierarchically Porous Gelatin Methacryloyl Hydrogel Constructs with Shape-Memory Properties”為題在Advanced Functional Materials上發表。哈佛大學應國量博士和姜楠博士為該論文的共同第一作者，通訊作者為Yu Shrike Zhang教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003740

作者簡介

  Yu Shrike Zhang博士于美國哈佛大學醫學院擔任助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物醫學工程系取得博士學位。研究領域包括生物打印及器官芯片的平臺搭建與應用研究，在相關領域發表研究論文及綜述200余篇，包括以第一或通訊作者發表的PNAS、Science、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超過40篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/STAT News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、C&EN、《科技日報》等報道。擔任十余本雜志的主編、副主編和編委，曾獲得多種國際和地區性獎項40余項。課題組網頁：https://shrikezhang.com/