浙大胡懿郃教授、贺永教授合作AM：淀粉-从厨房到生物3D打印实验室的一次角色转换

悬浮生物3D打印基于挤出式3D打印技术，可直接将生物墨水打印在悬浮支撑浴中。根据此特点，悬浮生物3D打印近年来被广泛用来制备具有精细特征的三维结构，特别是血管网络的制造。目前运用较为广泛的悬浮支撑浴主要有颗粒状水凝胶材料和凝聚材料。尽管悬浮生物3D打印在诸多方面取得了进展，但该技术在以下几个方面依然面临着一些问题：1. 悬浮支撑浴多数情况下需要去除，在多细胞和梯度结构制造方面依然存在限制；2. 悬浮支撑浴需满足宾汉姆流体特性，因此，悬浮支撑浴材料选择范围存在限制；3. 颗粒状水凝胶材料导致血管网络表面制造精度较低；4. 悬浮支撑浴制备方式较为复杂。

针对以上挑战，该研究将厨房烹饪中常用的勾芡材料淀粉作为悬浮支撑浴的主要介质，提出了一种非去除式悬浮生物3D打印方法，通过淀粉与明胶的相互作用，形成了一种4S的淀粉类水凝胶悬浮支撑浴，该悬浮支撑浴制备过程简单（Simple）；4℃下储存（Storable），37℃加热后依然可以作为悬浮支撑浴使用；淀粉颗粒稳定的微尺度（Stable）可提升血管网络表面制造精度；基于淀粉和明胶，可扩充悬浮支撑浴的材料选择范围（Scalable）。相关研究以“Removal-Free and Multicellular Suspension Bath-Based 3D Bioprinting”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。浙江大学医学院附属第一医院李帅研究员、李建平研究员和许鉴研究员为论文共同第一作者，浙江大学贺永教授和浙江大学医学院附属第一医院胡懿郃教授为论文共同通讯作者。

图1 非去除式悬浮生物3D打印及4S淀粉类水凝胶悬浮支撑浴

作者首先对淀粉类水凝胶悬浮支撑浴形成的机制进行了探索。在淀粉颗粒加热后混合明胶，明胶可与直链淀粉之间氢键结合，阻碍退火过程，此时由支链淀粉组成的淀粉颗粒在此体系中呈现出无序状态，使淀粉类水凝胶可作为悬浮支撑浴使用。

图2 淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴的机制

作者验证了淀粉类水凝胶作为悬浮支撑浴的可行性；通过引入海藻酸钠、壳聚糖、硫酸软骨素和光固化材料，扩展了悬浮支撑浴材料的选择范围；作者通过此方法，制备了包括分叉状结构、字母状结构、视网膜血管网络结构在内的工程血管网络，验证了悬浮生物3D打印制备工程血管网络的灵活性。

图3 悬浮打印可行性验证及工程血管网络制备

为模拟人体血管网络光滑的内表面，作者探索了不同尺寸淀粉颗粒制备的悬浮支撑浴对工程血管网络表面粗糙度的影响。结果表明，尺寸小于5μm的大米淀粉制备的工程血管网络表面粗糙度值最低，非常接近动物血管的表面粗糙度。研究通过模拟球囊止血实验，验证了提升工程血管网络精度的重要性。

图4 淀粉类水凝胶悬浮支撑浴提升血管网络精度

作者将海藻酸钠作为打印墨水，实现了不同结构在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中的打印，通过在37℃下去除悬浮支撑浴，可获得打印结构，验证了淀粉类水凝胶也可以作为去除式悬浮支撑浴使用，实现了不同结构的制造和多打印场景的应用。

图5 悬浮打印三维实体结构

细胞活性方面，作者将人脐静脉内皮细胞注射到血管通道内，在培养一周后可形成内皮细胞膜；小鼠胚胎成骨细胞前体细胞培养在淀粉类水凝胶悬浮支撑浴中，细胞存活率在培养期间均保持在90%以上，同时其生长、铺展和分化功能也得到了验证，说明该悬浮支撑浴可直接用于细胞培养。

图6 淀粉类水凝胶悬浮支撑浴细胞相容性

最后，作者在该打印体系下加载了血管内皮细胞、成纤维细胞和角质细胞，模拟皮肤表皮层和真皮层，成功实现了含血管网络多细胞结构的打印与制造，综合验证了本文提出的非去除式悬浮生物3D打印有效性。

图7 多细胞皮肤模型的打印

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202406891

来源：高分子科学前沿

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