2024年1月4日，中國醫學科學院整形外科醫院蔣海越研究團隊在Aggregate《聚集體》雜志在線發表了題為“Extrusion bioprinting of elastin-containing bioactive double-network tough hydrogels for complex elastic tissue regeneration”（擠出生物打印含彈性蛋白生物活性雙網絡強韌水凝膠用于復雜彈性組織再生）的研究論文。應用純天然聚合物甲基丙烯酰明膠（GelMA）、鄰硝基芐基接枝透明質酸（HA-NB）和彈性蛋白（Elastin）構成的雙網絡水凝膠體系大幅度提升了水凝膠的韌性、彈性、剛性及可拉伸性能，更適合用于復雜形態彈性組織構建與再生。
圖1 水凝膠合成機制及性能示意圖
天然水凝膠類材料因具有良好的生物相容性和可打印性逐漸成為3D生物打印墨水的研究熱點。但是開發可匹配彈性組織力學性能的柔軟、彈性、堅韌的生物水凝膠一直是彈性組織構建的一個關鍵問題。
該研究團隊應用純天然聚合物甲基丙烯酰明膠GelMA、鄰硝基芐基接枝透明質酸HA-NB和豬主動脈中提取的彈性蛋白Elastin混合構成雙網絡水凝膠體系。該凝膠體系中GelMA通過自由基聚合形成第一層網絡，Elastin和HA-NB通過動態希夫堿反應形成第二層網絡，同時兩層網絡之間進一步通過稀疏的GelMA和HA-NB中醛基的交聯（Dual-crosslinking）加固（見圖1）。通過對其機械性能的詳細表征顯示，水凝膠韌性高達45.39 kJ·m-3，能承受約80% 的壓縮變形而不破裂，在170%的應變變形后仍可恢復到原來的結構，重復100次機械加載循環，也能快速恢復到原來的形狀。證實水凝膠中雙交聯雙網絡結構特點、HA-NB/Elastin的可逆性動態交聯模式及彈性蛋白分子鏈的高度卷曲特性賦予水凝膠優異的彈性、韌性及可拉伸性能。該溫敏水凝膠還具有優異的可擠出打印性能，可以打印出分辨率較高的耳、鼻、氣管等各種復雜結構。進一步結合細胞打印表明該水凝膠體系能夠促進軟骨細胞的粘附、增殖、表型維持和彈性軟骨組織的再生，證實純天然聚合物屬性以及彈性蛋白的存在可促進生物打印組織的細胞相容性及組織再生。
總之，本研究構建的雙網絡水凝膠大幅度提升了水凝膠的韌性、彈性、剛性及可拉伸性能，更適合用于耳、鼻、氣管軟骨等彈性組織構建與再生，為復雜形態彈性組織構建提供了新的打印材料。
本研究工作得到中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（2021-I2M-1-052, 2017-I2M-1-007）、國家多學科協作診療能力提升項目（21025）及國家自然科學基金（82371796、81871575）等項目的支持。整形外科醫院蔣海越教授和劉霞研究員為共同通訊作者，整形外科醫院醫師王迪和曾今實為論文的共同第一作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/agt2.477
中國醫學科學院整形外科醫院
