中科院化学所王树研究员等：利用胶原生物打印墨水构建血管化肝组织模型

中国科学院化学研究所王树课题组、动物研究所顾奇课题组以及沈阳自动化研究所郑雄飞课题组合作，以离子液体为溶剂利用化学修饰制备了降冰片烯修饰的胶原基生物墨水材料Col-Nor，其保留天然胶原的结构特征与生物活性。Col-Nor生物墨水通过3D生物打印和快速光交联形成含细胞水凝胶，在三维培养条件下可促进多种细胞增殖，成功构建了具有血管网络的功能化肝组织模型。该方法适用于多种类型胶原蛋白和官能团，获得的生物墨水材料通过3D生物打印技术在体外构建功能化组织模型，可用于药物筛选、疾病模型及相关生物应用研究。

胶原蛋白是哺乳动物细胞外基质中最丰富的结构蛋白之一，可以为细胞提供合适的生理环境和机械强度，并因其优异的生物相容性和低免疫原性成为体外组织培养的理想生物材料。但胶原蛋白在材料加工方面的困难限制了其在生物制造领域的应用。中性天然胶原的溶解性差，在3D生物打印中凝胶化缓慢，容易收缩导致立体结构塌陷。现有策略利用天然胶原与打印性质优异的生物材料共混进行3D生物打印，但微观相分离对材料体系的生物活性产生影响。基于酸性条件和低温溶解的胶原衍生物可用于生物打印，但胶原基生物墨水材料的修饰效率和均一性有待改进。因此，发展高效、稳定的胶原蛋白化学修饰方法对实现胶原基生物墨水的3D生物打印具有重要意义。

近日，中国科学院化学研究所王树课题组与动物研究所顾奇课题组以及沈阳自动化研究所郑雄飞课题组合作，利用胶原生物打印墨水构建血管化肝组织模型。在化学修饰过程中以离子液体作为溶剂充分溶解胶原，制备了降冰片烯修饰的胶原基生物墨水材料Col-Nor, 修饰率可达70%。通过快速光交联形成的水凝胶可为三维生物组织提供结构支撑，并促进多种细胞的粘附与增殖，成功构建了厘米尺度的血管化肝组织模型。

图1. 胶原生物墨水材料Col-Nor的制备以及通过生物打印构建血管化组织模型。

离子液体溶解的胶原蛋白ILCol中可观察到胶原原纤维，与天然胶原中的D带特征结构一致。由于胶原分子间形成新的共价键，Col-Nor的纤维状结构在光交联后形成致密的网络。圆二色光谱中Col-Nor与天然胶原具有相近的三股螺旋特征结构，表明经离子液体溶解并修饰的胶原基本保留了天然胶原的结构特征，并形成胶原独特的组装结构，为保持胶原的生物活性提供了结构基础。

图2. 胶原蛋白的多级组装示意图、微观结构与圆二色光谱表征。

Col-Nor可用作挤出式3D打印的墨水材料，从打印喷头挤出时产生均匀的细丝，按指定形状打印的图案可光交联成型。平面图案的打印精度良好，打印性质参数接近理想值。与天然胶原和光敏明胶等墨水材料相比，Col-Nor在打印立体结构时具有更好的形状保真度，成型结构与设计相符且不易塌陷。Col-Nor材料与天然胶原的生物活性相近，可促进多种细胞的增殖。将人原代肝细胞球（PHH）、人脐静脉内皮细胞（HUVEC）、人骨髓间充质干细胞（hMSC）与Col-Nor材料制备成生物墨水，并利用3D生物打印方式构建了血管化肝组织模型。打印成型的三维组织在培养7天后形成了密集的血管网络，通过免疫荧光和ELISA等方法检测到三维组织中多种肝脏特征蛋白，并且三维肝组织中白蛋白含量与细胞色素P450酶活性均显著高于传统二维培养的肝细胞球。上述结果表明含细胞的Col-Nor生物墨水具有优异的生物活性，利用3D打印构建的血管化组织模型可以模拟功能化肝组织的代谢活动。

图3. 利用Col-Nor生物墨水打印的肝组织及其生物活性评估。

论文第一作者是博士生高志强，共同第一作者是刘鑫博士，共同通讯作者为黄一鸣副研究员（中科院化学所）、顾奇研究员（中科院动物所）和王树研究员（中科院化学所）。详见：Z. Gao, X. Liu, H. Zhao, S. Xia, W. Liu, H. Bai, F. Lv, X. Zheng, Y. Huang, Q. Gu, S. Wang, Synthesis of Easily-Processable Collagen Bio-inks Using Ionic Liquid for 3D Bioprinted Liver Tissue Models with Branched Vascular Networks, Science China Chemistry, 2022, DOI: 10.1007/s11426-022-1472-6.

扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

         扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】