近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印

由于打印精度高、速度快，光固化3D打印成为组织再生等医学研究的有利工具，然而由于现在光固化3D打印普遍采用波长较短的光源，对组织损害较大且穿透力不高，这大大限制生物体内3D打印的发展。最近，来自意大利帕多瓦大学的Nicola Elvassore团队在Nature Biomedical engineering上发表题为“Intravital three-dimensional bioprinting”文章，提出了一种活体生物3D打印方法。他们开发的光敏水凝胶HCC通过生物正交双光子环加成法，可以在大于850nm的波长下交联，可实现在活小鼠的组织内制造复杂组织结构。

如图1所示，他们选择香豆素衍生物作为光敏交联基团（HCC）。当暴露于在近红外光的双光子激发下时，香豆素衍生物有可以发生[2+2]环加成反应，从而使水凝胶发生交联固化，这种方式大大增强了对生物组织的穿透能力。同时由于香豆素介导的环加成没有自由基的产生，从避免对活组织的损害。

 图1 用于活体生物3D打印的可注射HCC共轭聚合物合成原理
作者通过一系列的表征手段来展示光敏水凝胶HCC独特的理化性质，结果表明，通过使用HCC聚合物溶液的红外光介导的光学交联，可以生产具有精确3D定位、微米分辨率和可调机械刚度的3D水凝胶。

图2 光敏聚合物的表征
为了验证活体生物打印的可行性，随后作者在小鼠的皮肤上进行了3D打印实验。使用双光子显微镜将HCC聚合物溶液暴露于聚焦脉冲近红外激光（λ= 850 nm）中。结果表明，在肌纤维表面制造3D水凝胶不会明显改变总体肌纤维形态和结缔组织完整性，且水凝胶仅在进行光反应的区域形成，可以进行精确的3D打印。

图3 体内皮肤生物3D打印
最后作者研究了该方法在生物组织中打印的可行性。通过在HCC明胶溶液中负载纤维细胞和MuSCs，来验证生物打印是否可以促进骨骼肌的新生形成。结果表明，在小鼠后肢肌肉外膜下对供体肌肉来源的干细胞进行活体3D生物打印，可导致小鼠肌纤维的新生形成。

图4 负载细胞的3D生物打印

该研究证实了近红外光激发下进行活体生物3D打印的可行性。这种活体3D生物打印不会对生物组织造成伤害且具有非常高的组织穿透能力，可以利用常用的多光子显微镜对生物打印结构进行精确定位，使活鼠组织内部的复杂结构得以制造，包括真皮、骨骼肌和大脑。