3D生物打印機(jī)的應(yīng)用：利用蠶絲絲膠蛋白開發(fā)出可變形生物醫(yī)學(xué)支架
在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，4D 生物打印正以 “時間 + 空間” 的雙重維度，重新定義組織再生的可能。近期，一項發(fā)表于《Materials Today Chemistry》的研究引發(fā)廣泛關(guān)注 —— 科研團(tuán)隊借助 CELLINK 公司的 BIONOVA X 3D 生物打印機(jī)，成功解鎖蠶絲絲膠基水凝膠的 4D 打印技術(shù)，讓原本被紡織工業(yè)丟棄的 “廢料” 絲膠蛋白，成為組織工程領(lǐng)域的 “潛力股”。
絲膠蛋白，這個長期被紡織工業(yè)當(dāng)作副產(chǎn)品丟棄的天然球狀蛋白，實(shí)則藏著巨大的生物醫(yī)學(xué)潛力。它不僅具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性、低免疫原性，還富含極性氨基酸，便于功能化修飾。但傳統(tǒng)制備方法難以打造出模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的異質(zhì)化結(jié)構(gòu)，直到 BIONOVA X 生物打印機(jī)的介入，才破解了這一難題。
科研團(tuán)隊以甲基丙烯�；z膠蛋白（SMA）與聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）為核心原料，研發(fā)出適配 DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)的新型生物墨水。而 BIONOVA X 打印機(jī)正是這場技術(shù)突破的核心支撐：它不僅支持 405nm 可見光交聯(lián)，避免了紫外光對細(xì)胞的遺傳毒性，還能通過編程精準(zhǔn)調(diào)控曝光時間、光強(qiáng)和打印速度，在支架內(nèi)部構(gòu)建垂直方向的交聯(lián)密度梯度。這種差異化交聯(lián)設(shè)計，讓打印后的支架在水合作用下實(shí)現(xiàn)可控形狀變形，干燥后又能恢復(fù)原始 3D 形態(tài)，再次水合即可重現(xiàn) 4D 變形行為，無需額外刺激組分。
圖2.生物墨水的制備與表征()生物墨水組分及其化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖:(6)基于數(shù)字光處理(DLP)3D生物打印機(jī)的 3D/4D打印關(guān)鍵步驟示意圖:(9)立體光刻(STL)模型與打印支架設(shè)計圖(比例尺:5mm):()矩形板狀 STL,文件;()打印結(jié)構(gòu)與ST,文件高度吻合，證實(shí)其良好的打印成型性(比例尺:5mm);(d)3D打印支架低交聯(lián)區(qū)域的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(比例尺:100 mm);(e)3D打印支架高交聯(lián)區(qū)域的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(比例尺:100 pm);(0)基于 DIP3D生物打印機(jī)的多孔支架ST,模型與打印實(shí)物圖(比例尺:2mm);(g)預(yù)聚體與交聯(lián)后生物打印支架的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)圖。
此次研究的創(chuàng)新之處，在于無需設(shè)計雙層水凝膠的 “活性層” 與 “被動層”，僅通過 BIONOVA X 的參數(shù)調(diào)控就能賦予支架形狀記憶功能。打印后的支架在 37℃去離子水中即可發(fā)生差異化溶脹，形成自彎曲的 4D 結(jié)構(gòu)，這一機(jī)制靈感源自含羞草葉片的含水量差異形變，實(shí)現(xiàn)了 “仿生技術(shù)” 與 “先進(jìn)制造” 的完美融合。
從矩形、蝴蝶形到花形、十字形，BIONOVA X 打印的多種支架都能在水合作用下完成精準(zhǔn)變形。這種無需額外刺激組分、僅通過打印參數(shù)調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)的形狀記憶功能，讓支架在傷口愈合、心肌補(bǔ)片、神經(jīng)導(dǎo)管制備等場景中擁有廣闊應(yīng)用前景。
圖3.形態(tài)各異且展現(xiàn)多種變形行為的支架圖中展示了不同支架的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型，以及支架打印后在去離子水(D1water)中分別靜置0、1、3小時后的實(shí)物圖:(a)矩形支架;(b)蝴蝶形支架;(c)花形支架;(e)十字形支架。(比例尺:2mm)
這項研究不僅讓絲膠蛋白這一 "廢棄資源" 煥發(fā)新生，更彰顯了 BIONOVA X 生物打印機(jī)在高端生物制造領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。隨著 4D 生物打印技術(shù)的不斷成熟，未來或許能實(shí)現(xiàn)個性化組織器官的精準(zhǔn)制備，為醫(yī)療健康領(lǐng)域開辟前所未有的新路徑。讓我們共同期待，這場技術(shù)革新能早日從實(shí)驗室走向臨床，為更多患者帶來希望！
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科研團(tuán)隊以甲基丙烯�；z膠蛋白（SMA）與聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）為核心原料，研發(fā)出適配 DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)的新型生物墨水。而 BIONOVA X 打印機(jī)正是這場技術(shù)突破的核心支撐：它不僅支持 405nm 可見光交聯(lián)，避免了紫外光對細(xì)胞的遺傳毒性，還能通過編程精準(zhǔn)調(diào)控曝光時間、光強(qiáng)和打印速度，在支架內(nèi)部構(gòu)建垂直方向的交聯(lián)密度梯度。這種差異化交聯(lián)設(shè)計，讓打印后的支架在水合作用下實(shí)現(xiàn)可控形狀變形，干燥后又能恢復(fù)原始 3D 形態(tài)，再次水合即可重現(xiàn) 4D 變形行為，無需額外刺激組分。
圖2.生物墨水的制備與表征()生物墨水組分及其化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖:(6)基于數(shù)字光處理(DLP)3D生物打印機(jī)的 3D/4D打印關(guān)鍵步驟示意圖:(9)立體光刻(STL)模型與打印支架設(shè)計圖(比例尺:5mm):()矩形板狀 STL,文件;()打印結(jié)構(gòu)與ST,文件高度吻合，證實(shí)其良好的打印成型性(比例尺:5mm);(d)3D打印支架低交聯(lián)區(qū)域的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(比例尺:100 mm);(e)3D打印支架高交聯(lián)區(qū)域的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(比例尺:100 pm);(0)基于 DIP3D生物打印機(jī)的多孔支架ST,模型與打印實(shí)物圖(比例尺:2mm);(g)預(yù)聚體與交聯(lián)后生物打印支架的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)圖。
此次研究的創(chuàng)新之處，在于無需設(shè)計雙層水凝膠的 “活性層” 與 “被動層”，僅通過 BIONOVA X 的參數(shù)調(diào)控就能賦予支架形狀記憶功能。打印后的支架在 37℃去離子水中即可發(fā)生差異化溶脹，形成自彎曲的 4D 結(jié)構(gòu)，這一機(jī)制靈感源自含羞草葉片的含水量差異形變，實(shí)現(xiàn)了 “仿生技術(shù)” 與 “先進(jìn)制造” 的完美融合。
從矩形、蝴蝶形到花形、十字形，BIONOVA X 打印的多種支架都能在水合作用下完成精準(zhǔn)變形。這種無需額外刺激組分、僅通過打印參數(shù)調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)的形狀記憶功能，讓支架在傷口愈合、心肌補(bǔ)片、神經(jīng)導(dǎo)管制備等場景中擁有廣闊應(yīng)用前景。
圖3.形態(tài)各異且展現(xiàn)多種變形行為的支架圖中展示了不同支架的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型，以及支架打印后在去離子水(D1water)中分別靜置0、1、3小時后的實(shí)物圖:(a)矩形支架;(b)蝴蝶形支架;(c)花形支架;(e)十字形支架。(比例尺:2mm)
這項研究不僅讓絲膠蛋白這一 "廢棄資源" 煥發(fā)新生，更彰顯了 BIONOVA X 生物打印機(jī)在高端生物制造領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。隨著 4D 生物打印技術(shù)的不斷成熟，未來或許能實(shí)現(xiàn)個性化組織器官的精準(zhǔn)制備，為醫(yī)療健康領(lǐng)域開辟前所未有的新路徑。讓我們共同期待，這場技術(shù)革新能早日從實(shí)驗室走向臨床，為更多患者帶來希望！
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生物3D打印
生物醫(yī)學(xué)支架
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