大阪大学科学家开发出改善可印刷性的基于丝纤维的生物油墨

日本大阪大学的研究人员开发了一种新型的基于丝纤维的生物墨水，该墨水可用于制造富含细胞的结构，并提高可印刷性。 

通过从原始蚕丝中除去丝胶蛋白并将其研磨成纳米纤维，科学家们能够将这种材料整合到一系列细胞和聚合物注入的生物油墨中。发现该纤维可在3D打印过程中最大程度地减少施加在细胞上的内部应力，从而改善其生存能力并使其保持复杂的形状。 

利用他们新颖的生物打印材料，3D团队打印了一系列基于细胞的物体，包括鼻形结构，同时使超过85％的组成细胞保持生命。考虑到他们的生物墨水是基于人类兼容的丝绸，研究人员认为，将来，它可以在现实世界的生物医学应用中使用。 

该研究的主要作者酒井伸二说：“我们的蚕丝纤维是生物墨水细胞印刷介质的极好添加剂。” “它们与许多介质兼容，例如含有明胶，壳聚糖或透明质酸的介质，使其具有广泛的潜在应用范围。”

利用他们的新型生物墨水，研究人员能够3D打印几种复杂的结构，包括一个鼻子形的物体。图片来自《今日材料》生物杂志。

推进3D可打印生物墨水 

近年来，3D生物打印作为制造模仿功能性器官和组织的充满细胞的结构的手段已引起了广泛的关注。尽管这些新方法已显示出巨大的治疗潜力，并产生了各种微型3D打印的身体部位，但该技术距离最终用途的应用还有很长的路要走。 

例如，得克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）的科学家在2020年1月用3D打印了迷你心脏，并将它们送到国际空间站进行测试。在其他地方，明尼苏达大学的一个研究小组已经对人的心脏跳动进行了生物打印，而联合疗法公司则翻新了一家工厂，因为它打算以更大的比例3D打印肾脏。 

通过连接到3D打印机的微喷嘴以逐层方法挤出充满细胞的生物墨水，可以创建许多微型器官。使用基于挤压的方法可以创建复杂的结构，其材料可以定制以控制细胞的增殖和分化，但它们也有缺点。 

挤出生物墨水的问题在于，通常可通过增加其粘度来提高其可印刷性，但这会在打印过程中引起剪切应力，进而损害墨水的细胞。为了解决这个问题，一些研究人员已经使用了诸如纤维素纳米纤维之类的纳米材料作为辅助添加剂，这些材料已被证明可以使生物油墨对印刷更具弹性。 

但是，目前，每种应用都需要定制许多添加剂支持的生物墨水，这使得它们很难在更广泛的基础上推广。作为替代方案，大阪研究小组假设，丝素蛋白纳米纤维（SFNF）可以用作添加剂，以生产增强细胞活力而不限制其相容性的生物油墨 。 

尽管大阪团队在测试过程中设法3D打印了耳形结构，但其复杂性却不及其附加的“鼻子”。图片来自《今日材料》生物杂志。

大阪团队基于丝绸的生物材料 

在现代医学中，丝绸通常用于缝合线，手术网和织物，目前正在进行临床试验以评估其伤口愈合能力。为了获得这些药用品质，在医学用途之前，通过“脱胶”过程从蚕丝中去除丝胶是至关重要的，因为这种化学物质对人体组织具有炎症性。

因此，大阪团队开始了他们的实验，获得了直径为100-300 nm的脱胶丝，并将其研磨成水，产生了分散的纤维蛋白纤维。随后将蚕丝提取物灭菌，并与10％体积的胎牛血清，明胶和水性聚合物混合物混合。 

一旦团队的混合物在CO 2培养箱中被加湿，就可以使用辣根过氧化物酶（HRP）催化的反应将其交联，从而在印刷过程中提高强度。利用基于挤出的系统，该小组将3D新型SFNF材料汇总到了几行单元中。 

研究小组的新生物墨水不仅证明比常规细胞打印更一致，而且还能够产生更复杂的物体。该团队继续成功地制造了鼻子和耳朵形的结构，最终证明了SFNFs作为提高可印刷性的添加剂的有效性。 

研究人员还通过产生一系列充满成纤维细胞10T1 / 2细胞的构建体，包括SFNF增强的凝胶和非支撑结构的混合物，来测试其生物墨水的细胞生存能力。一小时后，这些物体显示出相同的存活率水平，分别为92.5％和92.7％，并且在9天后，SFNF结构的细胞存活率超过85％。 

结果，研究小组得出结论，他们的生物墨水添加剂对生物印刷结构中的细胞存活率没有不利影响，同时显示出强大的机械性能和易于加工性。将来，研究人员认为，他们的新型SFNFs可以用作纤维素纤维的替代品，以增强生物油墨的剪切稀化行为。 

该小组的研究结果在其题为“丝素蛋白纳米纤维：用于挤出三维生物打印的有希望的油墨添加剂”中进行了详细介绍。这项研究是由酒井正义，吉井芳雄，樱井正义，or井浩二和长崎O.Nagasuna合着的，并发表在《今日材料》生物期刊上。