用于心脏组织的新型生物3D打印墨水

    芬兰是欧洲森林最多的国家之一。该国超过70％的北方森林覆盖着云杉，松树，柔软的桦树和白桦树。但是，除了芬兰林地的辉煌之外，所有这些树木都有一个共同点，那就是纳米纤维素。由植物获得的轻质固体物质，包含纤维素纳米原纤维（CNF），被认为是伪塑料，具有特定种类的凝胶的特性，通常在正常条件下会变稠。总体而言，它是一种非常环保且无毒的物质，可与人体兼容，并有潜力用于一系列医疗应用。

    2018年，位于赫尔辛基郊外的阿尔托大学生物产品与生物系统系开始寻找新思路，以振兴该国的传统经济引擎之一-森林（由于可再生森林资源而得以可持续处理）。当时，他们注意到可能的应用之一可能是使用纳米纤维素。未来两年，研究人员提出了一种新的生物墨水配方，使用纳米纤维素。

    得益于与细胞外基质的结构相似性以及支持关键细胞活性的出色生物相容性，基于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。通常较稠且易流动的轻质物质的品质使其非常适合开发生物墨水，这些墨水既适合生产且可扩展，但具有一致的性能。然而，在加工纳米纤维素方面存在重大挑战。

    正如阿尔托大学的研究人员在科学期刊ACS出版的最近发表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3D生物打印结构的首选组件之一。这就是为什么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表示：“除了自然丰度和可再生资源以外，纳米纤维素还表现出在组织工程中的出色表现。 ”她还建议：“最近的努力通常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中或封装纳米颗粒时使用。但我们有兴趣研究单组分纳米纤维素3D打印支架的潜力，该支架不需要交联即可提高强度或坚固性。”

    实际上，由奥兰多·罗哈斯（Orlando Rojas）领导的阿尔托大学（Aalto University）的生物基胶体和材料（BiCMat）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3D支架应用中独特的生物材料机遇，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。 然后，研究小组继续评估了支架与心肌成肌细胞的相互作用。

    “大多数修饰都会使水凝胶在3D打印后（例如在干燥或润湿时）容易出现尺寸不稳定性。如果油墨被高度稀释，这会加剧，这是纳米纤维素悬浮液的典型特征，低浓度时会形成凝胶。” Ajdary说道。 “这种不稳定性是纳米纤维素主要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作用，以简化其对直接墨水书写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。这正是为什么开发单一组分生物墨水对研究很重要的原因。当与其他生物聚合物和颗粒结合时，纳米纤维素已显示出希望。然而，Ajdary坚持认为，其益处包括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行为，这鼓励他们研究单组分表面改性的纳米纤维素的潜力。

    阿尔托大学的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3D生物打印，研究人员使用了Cellink生物打印机，Ajdary将此归功于该设备的用户友好性，并且因为它提供了很大的灵活性来测试研究小组生产的不同类型的水凝胶和乳液。在这种新工艺中，首先使用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头，用于挤出单根长丝并形成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。

      乙酰化纳米纤维素的3D结构在以低得多的浓度挤出后非常稳定。 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。研究人员声称该方法是成功的，因为3D打印的支架与心肌母细胞兼容，能够使其增殖和附着，并显示该构建体无毒。尽管仍处于研究阶段，但这些生物墨水和技术可用于廉价，一致地制造和存储可用作心脏再生基础材料的结构。