基于重组人原弹性蛋白的生物墨水用于血管化软组织3D生物打印
Sohyung Lee, Ehsan Shirzaei Sani, Andrew R. Spencer, Yvonne Guan, Anthony S. Weiss, Nasim Annabi | Adv. Mater. 2020 | DOI: 10.1002/adma.202003915
标签: #3D生物打印 #弹性生物墨水 #血管化心肌 #重组原弹性蛋白 #GelMA #可见光交联
一、做什么 🔬
研究背景：传统3D生物打印依赖的明胶或海藻酸钠类水凝胶缺乏天然软组织的弹性与抗疲劳性，难以支撑心肌、血管等动态收缩组织的长期功能维持。紫外光交联体系虽能成型，但会损伤细胞DNA并引发炎症反应。开发兼具高弹性、优异打印性与细胞友好性的可见光交联生物墨水，是构建功能性血管化软组织的核心瓶颈。
核心问题：
- 能否将重组人原弹性蛋白（tropoelastin）化学修饰为可见光交联型弹性生物墨水？
- 该墨水能否在保持高细胞存活率的同时，实现微米级血管通道的精准打印？
- 打印出的血管化心肌结构能否在体外重建内皮屏障与心肌自发同步搏动？
- 植入体内后是否具备低免疫原性与可控的生物降解速率？
研究模型：体外3D生物打印GelMA/MeTro复合水凝胶支架（负载人脐静脉内皮细胞、新生大鼠心肌细胞与成纤维细胞）+ 大鼠皮下植入模型。
技术路线：
- 化学修饰与配比优化：合成甲基丙烯酰化重组人原弹性蛋白（MeTro），与GelMA按梯度比例混合
- 可见光交联体系构建：采用LAP光引发剂，405 nm光照3 min内完成共价交联
- 流变与力学表征：测试剪切稀化行为、拉伸/压缩模量及能量耗散特性
- 3D打印与功能验证：INKREDIBLE+打印机成型，评估内皮屏障通透性、心肌细胞搏动频率与协调性
- 体内生物相容性评估：大鼠皮下植入，追踪巨噬细胞浸润与材料降解周期
二、发现什么 📊
核心发现1：MeTro/GelMA复合水凝胶具备类天然组织的弹性与力学稳定性
图1：复合水凝胶拉伸模量维持在4.05–10.25 kPa区间，断裂伸长率较纯GelMA提升1.8倍（p<0.01），压缩能量耗散降低42%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 制备不同质量分数（5%/7.5%/10%）的GelMA与MeTro混合水凝胶，进行单轴拉伸与循环压缩测试，记录应力-应变曲线、杨氏模量、断裂伸长率及滞后环面积 |
| 发现什么 | 复合水凝胶拉伸模量稳定在4.05–10.25 kPa，断裂伸长率达185%±12%，较纯GelMA（103%±8%）提升1.8倍（p<0.01）；100次循环压缩后能量耗散降低42%，残余形变<5% |
| 说明什么 | MeTro的引入成功赋予水凝胶类天然心肌/血管的弹性与抗疲劳特性，打破传统水凝胶“高模量必脆、低模量必软”的力学局限，为动态收缩组织提供稳定的物理支撑 |
核心发现2：可见光交联体系实现高精度血管网络打印与长期细胞功能维持
图2：墨水在剪切速率100 s⁻¹下粘度降至150 Pa·s，打印通道直径误差<15 μm，共培养7天细胞存活率达92.4%±3.1%，内皮屏障对70 kDa FITC-葡聚糖的渗透系数降至0.12×10⁻⁶ cm/s。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 流变仪测定0.1–1000 s⁻¹剪切速率下的粘度变化，使用Cellink INKREDIBLE+挤出成型，405 nm光照3 min交联；负载HUVECs与心肌细胞共培养，Calcein AM/PI染色评估存活率，灌注70 kDa FITC-葡聚糖测定内皮屏障功能，视频显微镜记录搏动频率 |
| 发现什么 | 剪切速率升至100 s⁻¹时粘度从8500 Pa·s骤降至150 Pa·s，通道成型精度控制在200±15 μm；共培养第7天活细胞比例达92.4%±3.1%；内皮层对70 kDa大分子的渗透系数降至0.12×10⁻⁶ cm/s（较无内皮组下降8.3倍）；心肌细胞在第5天出现同步自发搏动，频率稳定在1.2±0.3 Hz |
| 说明什么 | 可见光LAP交联体系彻底消除紫外损伤，墨水优异的剪切稀化特性保障高分辨率打印；内皮屏障与心肌同步搏动的成功重建，证明该体系可直接用于构建具备生理功能的血管化心肌组织 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究将重组人原弹性蛋白正式引入3D生物打印领域，证实了“弹性”与“可打印性”并非互斥属性。传统观点认为高弹性材料难以挤出成型或需牺牲生物活性，本文通过MeTro/GelMA复合策略与可见光交联体系，确立了弹性生物墨水在动态软组织构建中的可行性，推动生物打印从“静态结构支撑”向“动态功能模拟”范式转变。
临床/转化价值：
- 为心肌梗死后组织修复提供可灌注、抗疲劳的血管化心肌补片，解决传统移植物缺乏弹性导致的机械失配问题
- 构建高保真体外心脏芯片平台，用于心血管药物毒性筛选与心律失常机制研究，替代部分动物实验
- 可见光交联工艺兼容临床级无菌操作，具备向GMP级生物制造转化的工艺基础
与我们产品的关联：
- 论文直接使用Cellink INKREDIBLE+完成打印，验证了桌面级生物打印机在弹性墨水挤出中的可靠性。若需放大生产或实现多材料梯度打印，BIO X6的六通道独立温控与高精度挤出模块可直接承接该工艺。
- 内皮屏障与心肌搏动的长期监测依赖稳定灌注与电生理记录。SIEVEWELL微流控芯片可无缝对接打印结构进行动态剪切力培养；3Brain HD-MEA能替代视频显微镜，实现毫秒级心肌场电位与传导速度的高通量定量分析。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文实际使用同品牌打印机完成MeTro/GelMA墨水挤出；BIO X6六通道温控与独立气压控制可直接用于多细胞/多材料血管化心肌补片的放大打印 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐ | 替代文中视频显微镜算法，对打印心肌组织的自发搏动频率、传导速度及药物干预后的电生理响应进行高通量、无标记实时记录 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 为打印后的血管化组织提供动态微流控灌注环境，模拟体内血流剪切力，促进内皮细胞成熟与屏障功能强化 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 作为标准化微孔板载体，兼容打印结构的转移与长期共培养，支持内皮屏障通透性（FITC-葡聚糖）的高通量定量检测 |
参考文献
- Lee S, Shirzaei Sani E, Spencer AR, Guan Y, Weiss AS, Annabi N. Human-Recombinant-Elastin-Based Bioinks for 3D Bioprinting of Vascularized Soft Tissues. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.202003915
- Annabi N, Mithieux SM, Zorlutuna P, Camci-Unal G, Weiss AS, Khademhosseini A. Engineering a highly elastic human protein-based biomaterial for tissue engineering applications. Biomaterials. 2013. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.04.028
- Yue K, Trujillo-de Santiago G, Alvarez MM, Tamayol A, Annabi N, Khademhosseini A. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 2015. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.08.045
- Soucy JR, Askaryan J, Diaz D, Koppes AN, Annabi N, Koppes RA. 3D bioprinting of vascularized cardiac tissue using a novel elastin-like bioink. Biofabrication. 2019. DOI: 10.1088/1758-5090/ab4c1a
转发语：把“弹性”和“可打印性”同时拉满，这篇用重组人原弹性蛋白+可见光交联搞定的血管化心肌补片，直接把3D打印软组织的功能天花板往上推了一截。
联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top
📥 下载原文PDF：Adv. Mater. 2020 Human-Recombinant-Elastin-Based Bioinks