《AM》3D打印水凝胶！自组装纳米纤维多域肽！

摘要

3D打印已成为生物医学研究中使用的主要制造策略之一。最近的工作集中在水凝胶的3D打印上，以创建更好地复制生物组织机械特性的结构。这些都带来了独特的挑战，因为软材料很难以高保真度在三维空间中形成图案。目前，少量形成水凝胶的生物衍生聚合物经常被重新用于3D打印应用。因此，需要具有理想生物学特性的新型水凝胶，可用作3D打印油墨。在这项工作中，建立了多域肽（MDPs）的可打印性，多域肽是一类在低浓度下形成纳米纤维状水凝胶的自组装肽。具有不同电荷官能团的 MDP 被优化为不同的油墨，用于创建复杂的 3D 结构，包括多 MDP 打印。此外，打印的MDP构建体用于证明体外细胞行为的电荷依赖性差异。这项工作首次将自组装肽用于打印具有突出部分和内部孔隙率的层状结构。总体而言，MDP是一类很有前途的新型3D可打印油墨，它独特的基于肽，完全依赖于超分子机制进行组装。该研究以题为“3D Printing of Self-Assembling Nanofibrous Multidomain Peptide Hydrogels” 发表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202210378）。

水凝胶的3D打印使研究人员能够使用柔软的组织状材料复制生物结构中自然存在的几何复杂性。两种挤出技术的进步和基于光3D打印导致了模仿心脏和肺部的结构的创建。尽管存在多种3D打印方法，但基于挤出的打印由于其简单的工作原理和易用性而被广泛采用。挤出3D打印中使用的油墨主要由化学改性的明胶版本组成。开发3D打印油墨的传统方法是对天然衍生的水凝胶材料进行化学修饰，使其更易于打印，同时试图保持其有利的生物特性。最近，已经提出了两种可推广的策略来允许打印各种水凝胶材料，这两种策略都包括一种稳定方法，以允许短期打印保真度，然后是一种交联方法，以赋予长期稳定性。尽管取得了这些进步，但天然衍生材料仍存在批次间的差异，经常需要化学改性才能具有足够的机械性能，并具有预定义的生物活性。

创造新的3D可打印油墨的更有利的方法是设计具有特定机械、生物和化学特性的合成材料。提供这种设计自由度的一类材料是自组装肽 （SAP）。SAP是由于精心设计的超分子力的协调而组装成纳米结构的肽。然后，这些纳米结构可以以这种方式相互作用以产生宏观水凝胶。SAP易于合成，化学成分明确，可纯化，并提供设计灵活性，以实现广泛的材料特性。此外，它们的合成本质上是模块化的，可以通过简单地改变其一级序列或通过掺入生物活性肽序列来改变SAP的性质。由于SAP仅由氨基酸结构单元组成，因此其化学和降解产物具有生物学友好性，这是由其他聚合物制成的水凝胶的常见缺点。因此，SAP提供了合成水凝胶材料的灵活性，同时也保持了天然衍生材料的生物相容性。

SAP是一种有吸引力的挤出3D打印软材料，因为它们由于其非共价组装机制，通常具有剪切稀化和快速自愈特性。尽管如此，涉及SAP的3D打印工作仍然有限。Hauser实验室是第一个展示SAPs的3D打印的实验室，在同轴打印系统中使用四肽和PBS来创建厘米大小的结构并封装细胞。尽管这项工作取得了多项突破，但局限性包括使用非经典氨基酸以及有限的打印保真度和复杂性。Stupp实验室的另一项主要工作展示了SAP的挤出3D打印，展示了使用肽两亲性墨水对纳米纤维的剪切取向。作者发明了一种制造方法，包括挤出打印，然后在每一层喷涂盐胶凝剂。尽管这种新工艺已被证明可以产生各向异性的超分子水凝胶，但需要进一步开发制造工艺，以允许创建悬垂结构或其他复杂的3D设计，这些设计尚未得到证明。还有其他一些打印SAP墨水的尝试，但这些作品要么使用SAP作为复合墨水的一部分，要么缺乏彻底的3D打印表征。

在这项工作中，作者展示了多结构域肽（MDP）的3D打印。MDP是一类SAP，旨在在生理pH值和离子强度下形成纳米纤维状水凝胶。MDP具有交替的疏水性和亲水性氨基酸的一般结构，两侧是带电残基。通过反离子屏蔽带电氨基酸导致产生“疏水三明治”，β片纤维化，并在适当浓度下快速凝胶化成纳米纤维水凝胶。MDP已被证明在植入体内时可促进血管形成、神经支配和高水平的细胞浸润，并已用于神经再生，癌症治疗，以及疫苗交付。已发现具有不同电荷和化学官能团的MDP在体内引起不同的免疫反应，因此用于给定应用的MDP可能根据所需用途而变化。为了扩展MDP的功能，作者在这里介绍了阴离子和阳离子MDP的3D打印评估、优化和体外表征。

图1 MDP组装和3D打印原理图。

图2 MDP二级结构和纳米纤维网络的表征。

图3 MDP凝胶和MDP油墨的流变性。

图4 MDP 3D打印优化和打印结构。

图5具有不同电荷的 3D 打印MDP原木堆水凝胶的体外表征。

「 总结 」

在这项研究中，作者将MDP确定为一类新的3D可打印水凝胶。在表征其超分子组装后，MDP被证明具有用于挤出3D打印的必要流变特性。然后进行打印优化，并利用这些优化来创建复杂的悬垂结构和多材料打印。这项工作代表了极少数涉及SAP的3D打印论文之一，并超越了以前完成的打印复杂程度。此外，阳离子和阴离子MDP构建体的体外表征揭示了细胞形态的电荷依赖性差异和电荷依赖性高细胞活力。应进行进一步的研究，以扩大打印的MDP数量，提高打印分辨，并探索MDP电荷的战略性使用来调节细胞行为。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202210378