华中大张胜民教授和美国莱斯大学Mikos教授《Chem. Rev.》综述：用于生物3D打印的聚合物体系

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生物3D打印作为组织工程的一种重要方法近年来被广泛报道。通过对细胞和生物活性分子负载材料的精确沉积，生物打印的方法可以构建复杂的生物结构，使其更加的接近天然组织材料本身。目前生物打印所用的材料主要为聚合物，一方面是因为制造方便、质量控制相对容易及具有生物可降解性，另一方面由于聚合物与天然细胞基质具有相似的化学特点和机械特性。华中科技大学张胜民教授和美国莱斯大学Antonios G. Mikos教授合作综述了目前用于生物打印中常用的聚合物体系，主要包括天然聚合物和合成聚合物两大类，并对近年来生物打印方面的创新性工作也进行了综述，如多材料的打印方法、纳米材料在生物打印中的应用、提高细胞活性的手段以及4D生物打印等。此外为了加速生物打印市场化运营和促进临床治疗上的应用上也提出了相关的观点和建议。相关论文“Polymeric Systems forBioprinting”发表在Chemical Reviews杂志上。

1. 生物打印及材料的概述

当前主流生物打印技术主要包括以下几种：挤出打印（Extrusion Printing）、喷墨打印（Inkjet Printing）、光固化打印（Stereolithography）以及激光辅助打印（Laser-Assisted Bioprinting）等，如图1所示。文中详细介绍了几种打印方法的原理、优缺点以及对于打印生物墨水的要求等，为选择合适的打印方法提供了方向。

图1 生物打印中常用技术的比较

作者以天然高分子和人造高分子做区分，重点研究了每种聚合物作为生物3D打印墨水结构与功能之间的关系，同时对聚合物的可打印性及生物降解性进行了研究。

天然聚合物

使用天然高分子作为生物打印墨水来制造组织工程支架具有很好的生物相容性和生物活性，然而由于天然高分子的自身特性原因导致其在生产和提纯过程中的质量控制变得困难。另一方面天然聚合物的力学性能较低也难以满足实际中的应用。文中作者以化学结构、凝胶机理及生物降解性为出发点列举了近年来作为生物打印天然高分子的基本特点。主要包括蛋白质、低聚糖和多聚糖以及葡糖氨基葡聚糖等三大类。

合成聚合物

合成聚合物克服了天然聚合物在应用作为生物墨水时的一些缺点，可以通过原料控制及合成工艺的设计来保证产品质量的稳定性。然而合成聚合物对于细胞的黏附性较差，因此需要对合成的聚合物进行肽类或者蛋白质片段的改性修饰，除此之外还可以将合成的聚合物与生物生长因子串联使用以保证细胞之间的充分接触及细胞群体之间的新陈代谢。在这部分工作中作者以单一结构的聚合物和两种材料合成的共聚物聚作为生物墨水介绍了其特点。

聚乙二醇（PEG）是具有代表性的合成聚合物之一。其容易被功能化官能团修饰而具备多样的功能，但在哺乳动物体内不包含能使其降解的酶，其生物降解性较差而限制了应用，其结构如图2所示。

图2 聚乙二醇的结构，末端功能化修饰及交联形成稳定的水凝胶网络的示意图

合成具有自组装功能的多肽类高分子，通过分子结构设计，首先合成双亲性的聚合物，随后使其在一定条件下可以通过分子间作用力和氢键等的相互作用发生自组装行为，合成具有与天然蛋白质等相似的螺旋结构，如图3所示。

图3 双亲性肽类通过自组装合成超分子的示意图

聚氨酯材料，其结构如图4所示。聚氨酯材料的特点就是其机械性能可以通过合成的原料来进行控制，可操作性强、并具有很好的生物相容性，可单独使用，也可以作为原料与其它聚合物合成后一并使用。虽然聚氨酯材料本身对人体无毒，但如果发生降解反应后其产物往往对人体是有害的。

图4 聚氨酯的结构及合成的前驱体

2. 生物打印领域的研究前沿

2.1多材料生物打印研究进展概述

一般情况下生物组织器官的机械性能跨度很大如图5所示，实际中仅靠一种材料难以满足使用要求，因此科研工作者研究开发了多材料的生物打印。与单一材料的打印相比，多材料生物打印能够直接构造出复杂的功能结构，而具有更强的可定制性。表1列举了近年来关于多材料生物打印的相关的研究进展。

图5 天然组织结构的异质性

表1 天然及可降解聚合物多材料生物打印的研究进展

为实现多材料的生物打印，研究人员开发了以下几种常用的方法，分别是多喷头打印如图6（a）所示；多材料多喷头3D打印如图6（b）所示；同轴打印如图6（c）所示；生物墨水中加入乳化剂以促进细胞的增殖打印如图6（d）所示。

图6 多材料生物打印的方法

2.2 纳米材料在生物3D打印中的研究进展

当前单纯以聚合物进行生物打印时存在机械强度差、缺少生物活性及功能性的问题，很大程度上限制了生物3D打印的发展。为此科研工作者考虑在聚合物中引入功能性的纳米材料，或者利用3D生物打印技术对组织结构进行纳米尺度的打印。其引入纳米材料的作用过程和机理如图7所示。

图7 多功能3D打印纳米材料的作用机理

可以提高生物活性

为了提高聚合物支架的成骨能力，研究人员使用纳米材料的羟基磷灰石进行打印以模仿天然的人体骨组织，进一步地研究表明元素掺杂的纳米羟基磷灰石材料不仅可以增加成骨的能力，还可以有效抑制炎症及肿瘤的扩散。

提高机械性能

研究表明在聚合物中加入具有优异力学性能的纳米粒子如碳纳米管、石墨烯等可以有效提高打印聚合物支架的机械性能。

导电性

常用的作为生物3D打印的聚合物一般都是电信号的不良导体，在某种程度上限制了它们在修复神经组织方面的应用。而在聚合物基质中引入导电的纳米材料可以赋予打印支架在神经、骨组织及心脏组织工程中的应用潜力。常用的导电纳米粒子包括：功能化的碳纳米管、片层状的石墨烯及金纳米颗粒等。

磁性

在聚合物中引入磁性纳米粒子可以增加复合材料的磁响应能力，有助于提高成骨细胞的分化和骨组织的再生。

光热效应

在生物3D打印中加入具有光热响应能力的纳米粒子可以赋予打印支架光诱导药物释放和组织再生的能力。具有光热相应的生物支架在特定光照下照射下可以杀死肿瘤细胞从而达到抑制肿瘤生长的目的。

2.3 提高细胞活性的方法

生物打印中的一大挑战就是如何在打印复杂结构的同时来保证细胞的活性。因此有必要对不同打印方式下的可打印性和如何保证细胞活性的方法进行深入的研究。

可打印性

过去定义材料可打印性的方法就是利用生物材料打印一个1*1厘米的正方形，以测量其实际面积和标准面积之间的偏差，但这种方法忽略了材料在Z方向上的延展。为此一个类似的包含了Z方向上的打印方法来对材料的可打印性进行了评价，如图8（a）所示。除此之外可打印性的评价方法还包括线宽法，如图8（b）、像素法，如图8（c）、液滴形状法及实际气孔的形状、密度与理论相比较的方法，如图8（d）。一般来说观察孔隙度的方法与组织工程结合的最为密切，被认为是最为有效的技术手段之一。实际上可打印性往往不是针对某一种材料，而是对生物打印的整个体系包括墨水的选择、附加的支撑材料、打印条件及方式等多方面因素的一个综合考量。

图8 评价可打印性的指标汇总

挤出打印提高生物活性的方法

一般来说挤出打印的分辨率随着打印墨水粘度的增加而提高，然而墨水粘度的增加则会导致在打印过程中伴随有更高的压力和剪切应力，反而降低了细胞的存活率。最近的一些研究工作表明可以从以下两种方法来解决这一矛盾，第一种思想就是利用某些材料的特性使其在打印喷嘴处具有较低的粘度，而后可以快速地恢复其粘度（剪切变稀原理）或者利用快速的溶胶-凝胶反应，如图9（a）（b）所示。第二种思想就是利用支撑浴的方法以抵抗打印墨水的流动，如图9（c）所示。

图9 挤出打印提高细胞存活率的方法

光固化打印提高生物活性的方法

光固化打印方法具有打印速度快及可以进行复杂结构成型的特点而具有广泛的应用前景，但该方法的打印依赖于激光或者紫外光来诱导自由基聚合，而引发剂的选择一般都具有一定的毒性，如何保证细胞在这过程中存活是提高光固化打印生物活性的关键。一种思路就是利用可见光来引发发生固化，此外就是利用具有生物相容性的光吸收剂。

2.4 4D生物打印的发展

4D生物打印是近年来生物打印中快速发展起来的一个方向，其是指3D打印的生物结构随着时间和某种特殊的刺激而发生可预测的形状、属性和功能上的变化的一种打印方式。因此4D生物打印更贴近真实的组织工程而具有开发的潜力。图10展示了不同材料系统在外部刺激下的响应行为。

图10 应用于4D生物打印的不同材料体系

形状渐变性能

具有各向异性的单一或者多材料往往具有形状渐变的能力。如图11（a）所示为两种组合在一起的具有不同分子量的PEG材料在水中会发生不同的自折叠行为，根据这一特性可以将细胞封装在两种不同的PEG材料中间，在一定刺激条件下可以自发折叠成为不同直径的圆柱体如图11（b）所示。目前采用各向异性的高分子材料虽然可以通过精细的控制而实现形状的改变，但也仅限于折叠、弯曲等简单变形，为了实现复杂形状的改变在未来可能会更多地考虑使用形状记忆聚合物材料。

形状记忆聚合物

形状记忆聚合物由于具备复杂形状变化的特性已成为4D生物打印材料中的研究热点，具有很好的应用前景。这些形状记忆聚合物在外部刺激条件下（加热、pH、光等）会恢复其初始形状。进一步地在热响应形状记忆聚合物生物打印支架中掺杂具有磁性或者光热效应的纳米粒子，使其不仅在热响应下具有形状记忆效应，而且对磁性和光照条件都会产生一定的刺激响应。

图11 不同聚乙二醇发生自折叠的过程的示意图

4D生物打印在医学领域的应用

4D生物打印在组织工程、骨组织、血管、神经组织等领域具有非常广阔的应用前景。4D生物打印的支架可以根据体内的不同刺激做出相应的响应，有利于组织的再生。采用形状记忆聚合物来打印骨支架具有很好的生物相容性及增殖的能力。利用具有形状渐变性能的聚合物薄膜可以打印出高分辨率的中空管状结构以用于血管研究。4D生物打印的结构还可以应用于修复受损的神经。除此之外对于治疗正在长身体阶段的孩子来说，4D生物打印支架可以伴随孩子的成长而发生相应的改变而具有积极的意义。

3. 未来生物打印聚合物材料的展望

目前生物打印的发展以临床医用及病例模型的搭建为导向，未来的研究热点将会集中在4D生物打印和功能纳米材料复合等方向。而在生物打印医疗产品应用于临床医疗之前，打印材料的可行性及成本应该从工业化的角度来进行考量，具体包括打印速度及多材料制造等。此外生物3D打印要想快速的发展需要由国家相关部门进行批准和监管。目前现存的一些标准和方法无法适应快速发展的生物3D打印领域，因此急需新标准的出台。另外对于打印方法的参数和生物墨水的材料属性也应该进行统一化定性。以生物打印墨水为例，应尽可能选用一种无量纲的参数来对其进行评价，这样方便研究人员的后续研究。

论文信息：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00834

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