海洋生物材料及其衍生物在3D生物打印中的用处

2024-08-29 13:28

本文主要是介绍海洋生物材料及其衍生物在3D生物打印中的用处,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

       大家好,今天我们来聊一聊 海洋衍生生物材料在3D 生物打印的引言——《Recent Developments in Bio-Ink Formulations Using Marine-Derived Biomaterials for Three-Dimensional (3D) Bioprinting》。3D 生物打印具有巨大的应用潜力,在生物医学、制药等领域有望带来革命性的变化。其中,海洋衍生生物材料在生物墨水配方中发挥着重要作用。这些材料来源丰富,具有良好的生物相容性和可降解性。然而,它们在应用中也面临一些挑战。接下来,我们将深入探讨 3D 生物打印技术、海洋衍生生物材料的应用及挑战等内容。

*本文只作阅读笔记分享*

一、引言

3D 生物打印是一种新兴且先进的计算机辅助增材制造技术,能够精确地逐层构建复杂的 3D 结构,在生物医学、制药和食品等领域具有巨大的应用潜力。本文旨在对使用海洋衍生生物材料进行三维(3D)生物打印的生物墨水配方的最新发展进行综述。

二、3D 生物打印技术概述

(一)技术分类

当前 3D 生物打印技术主要包括基于喷墨、基于挤压和基于光聚合三大类,每种技术都有其特定的优势、缺点和局限性。

(二)喷射式生物打印

影响因素

生物墨水性质:Ng等人的研究表明,生物墨水的粘弹性和粘度会影响打印性能和细胞健康。例如,更高的生物墨水粘弹性有助于在喷嘴孔破裂前更好地稳定液滴细丝,更高的粘度有助于促进液滴在基板表面的沉积,并提高液滴沉积的准确性。同时,使用粘性生物墨水进行打印有助于维持更高的细胞存活率。

细胞浓度:Xu等人的研究发现,在喷射式生物打印过程中,细胞浓度与液滴大小和速度呈负相关,与破裂时间呈正相关。即增加细胞浓度会导致液滴大小和速度减小,而破裂时间增加。

其他物理因素:剪切应力、液滴冲击速度和体积也会影响细胞存活率。例如,Blaeser 等人的研究表明,短时间暴露于高水平剪切应力会对细胞存活率产生立即的负面影响,并可能导致未受影响细胞的增殖潜力发生长期变化。

此外,Ng等人的研究指出,增加细胞浓度会导致液滴冲击速度变慢,从而提高打印细胞的存活率。同时,研究发现最小液滴体积为20 nL/点可减少细胞因蒸发而受损的情况,并在2分钟的打印时间内保持细胞的存活率。

技术分类

喷墨生物打印:成本低、打印速度高、细胞存活率较高,但不适合高粘度生物墨水,因为存在 “沉降效应”,会导致生物墨水粘度增加和打印机头堵塞。例如,当细胞在墨盒中随时间沉降时,会导致生物墨水粘度增加和打印机头堵塞。

微阀生物打印:分辨率和细胞存活率高,打印速度快,但面临生物墨水粘度的挑战,需要确保高粘度生物墨水在不影响细胞存活率的情况下可靠打印。

激光辅助生物打印:分辨率和细胞存活率高,适用于高细胞密度和高粘度生物材料的打印,但会降低细胞存活率,这是由于激光诱导的前向转移过程中产生的热损伤。例如,研究表明,在激光辅助生物打印中,纳米秒级激光曝光引起的热损伤会降低细胞存活率。

声学生物打印:通过超声波辅助实现液滴喷射,液滴大小可通过控制超声波频率来调节,因为液滴大小与频率成反比。

(三)挤压式生物打印

特点:是目前最广泛使用的生物打印方法,能够处理更高的细胞密度和使用高粘度生物材料,但速度较慢。

影响因素:生物墨水的粘度对打印性能有双重影响,高粘度通常会导致更高的细丝保真度和结构完整性,但会影响挤出性,需要更高的压力,从而增加剪切应力,可能导致细胞膜破裂和细胞损伤。此外,生物墨水的粘弹性和表面张力也会影响打印性能。

细胞存活率:细胞在打印过程中会受到剪切应力等机械力的影响,剪切应力是导致细胞损伤和死亡的主要原因,高粘度生物墨水需要更高的压力,从而增加剪切应力,对细胞存活率产生负面影响。

(四)光聚合式生物打印

关键因素:光源是影响细胞存活率和打印速度的关键因素,在光聚合过程中,不饱和分子通过光子能量转化为固体大分子,紫外线和可见光等光常被用于诱导聚合,但紫外线可能导致基因修饰和细胞死亡,因此可见光在克服细胞存活率挑战方面具有优势。

光聚合材料:生物墨水中的光聚合物在光聚合生物打印中起着重要作用,常用的光聚合物是反应性多功能单体、低聚物、聚合物或它们的混合物与光引发剂的组合,但当前光聚合物存在内部收缩的问题,会导致固化的生物墨水变形和形状损失。

技术分类:包括立体光刻、双光子聚合和数字光处理等技术。

立体光刻生物打印:是一种多功能技术,能够设计和制造各种结构,但使用的紫外光在聚合阶段可能会导致严重的健康问题,如 DNA 损伤和癌症。例如,在立体光刻生物打印中,使用紫外光进行聚合可能会导致 DNA 损伤,从而引发癌症等健康问题。

双光子聚合:是一种光化学3D微制造过程,能够制造分辨率高达 100nm 或更高的 3D 结构,但在纳米尺度分辨率下的生物打印不实用,在微米分辨率范围内更有用,可用于制造支架、纳米和微机器人以及微流体。例如,研究发现,双光子聚合可用于制造分辨率高达 100nm 的 3D 结构,在制造支架、纳米和微机器人以及微流体等方面具有应用潜力。

数字光处理生物打印:是一种快速而强大的生物制造技术,能够生产具有复杂几何形状和高分辨率的 3D 结构,其打印速度比挤压式生物打印快,与激光基立体光刻生物打印相比也具有更快和更高效的特点。例如,在数字光处理生物打印中,通过使用数字微镜设备或液晶显示器,可以快速地生产出具有复杂几何形状和高分辨率的 3D 结构。

三、用于生物墨水配方的海洋衍生生物材料

(一)多糖类海洋衍生生物材料

壳聚糖:是甲壳素的脱乙酰化衍生物,化学结构如下图所示。

制备方法包括化学和酶促过程,化学过程需要高能量输入并产生有害化学废液,酶促过程面临选择、培养和分离合适产酶微生物的问题。壳聚糖具有良好的溶解性、生物相容性和可降解性,但不适合热机械加工。例如,从海洋来源提取壳聚糖的化学过程中,甲壳类动物的外骨骼需经过脱钙、脱蛋白和脱色步骤以产生甲壳素,随后用浓碱溶液(通常为 40 - 50% NaOH)处理以去除乙酰基并获得壳聚糖,但该过程需要高能量输入并产生有害化学废液。

糖胺聚糖:是线性多糖,通常作为蛋白聚糖的一部分存在,包括透明质酸、硫酸软骨素和硫酸皮肤素等。透明质酸是一种长而无分支的非硫酸化多糖,负电荷高、亲水性强,在高分子量时形成粘性网络;硫酸软骨素是一种均聚糖胺聚糖,由重复的二糖单位组成;硫酸皮肤素的化学组成与硫酸软骨素相同,但部分葡萄糖醛酸残基发生表异构化形成艾杜糖醛酸。

提取糖胺聚糖的方法通常包括水解步骤,以从蛋白质核心中释放出糖胺聚糖。例如,糖胺聚糖通常作为蛋白聚糖的一部分存在于动物的细胞外基质中,其提取过程中,动物或鱼类组织材料首先需用合适的蛋白酶水解,以从蛋白质核心中释放出糖胺聚糖。

海藻酸盐:是一种可食用的线性阴离子杂多糖,由 1,4-β-D-甘露糖醛酸和1,4α-L-古洛糖醛酸残基组成,化学结构如下图所示。

在海洋环境中广泛存在于褐藻中,具有高凝胶形成特性,在食品、纺织和生物医学等领域有广泛应用。提取海藻酸盐需要先用矿物酸处理褐藻,将海藻酸钙盐转化为游离海藻酸,然后中和形成可溶性海藻酸钠,再通过沉淀和转化得到海藻酸钠。

例如,在提取海藻酸盐时,先用矿物酸处理褐藻,使其盐转化为游离海藻酸,然后通过中和形成可溶性海藻酸钠,随后沉淀为钙海藻酸盐纤维或海藻酸凝胶,最后通过处理转化为钠海藻酸钠。

角叉菜胶:是一种水溶性阴离子硫酸化多糖,存在于海洋红藻中,由交替的3-O-取代的β-D-半乳糖吡喃糖基单元和 4-O-取代的α-D-半乳糖吡喃糖基单元组成。最常用的角叉菜胶是 Kappa(κ)-、Iota(ι)-和 Lambda(λ)-角叉菜胶,它们具有良好的稳定性和凝胶形成特性。提取角叉菜胶通常包括干燥、水洗、碱水解和澄清干燥等步骤,温度、pH 和过程持续时间等因素会影响提取过程。例如,工业上常用的角叉菜胶包括 Kappa、Iota 和 Lambda 三种,具有不同的酯 - 硫酸盐基团数量和凝胶形成特性。

(二)蛋白质类海洋衍生生物材料

胶原蛋白:是最丰富的动物蛋白质,在细胞外基质和结缔组织中占主导地位,其化学结构特征是每条胶原链含有重复的氨基酸基序(Gly - X - Y)。

渔业加工副产品和废物中含有大量的 Type I 胶原蛋白,提取胶原蛋白需要经过预处理、提取和进一步纯化等步骤,常用的方法包括化学水解(使用酸、碱或盐溶解)以及结合物理(超声或微波)和/或酶促(蛋白酶)过程来增强提取效果。

例如,胶原蛋白在细胞外基质和结缔组织中起着重要作用,其提取过程中,通常先进行预处理以去除脂肪、非胶原蛋白和部分水解胶原蛋白交联,然后进行胶原蛋白提取和进一步纯化。

明胶:是一种天然蛋白质聚合物,由胶原蛋白通过水解降解产生,涉及胶原蛋白多肽链之间的交联断裂和部分多肽键的裂解。Type I明胶来源于Type I胶原蛋白,其水解产物包括分离或连接的α1-和α2-链,形成不同的多肽链组合。

明胶的提取过程包括预处理、酸或碱处理以部分裂解胶原蛋白交联,以及一系列连续的水热提取、浓缩、过滤、灭菌和干燥等步骤。根据处理所用的酸或碱的不同,明胶可分为A 型(酸性处理)和B型(碱性处理)。

例如,明胶的提取过程中,在预处理步骤去除脂肪、非胶原蛋白和其他杂质后,材料用酸或碱处理以部分裂解胶原蛋白交联,然后通过一系列连续的水热提取在增加的温度下进行,所得的水明胶溶液通过蒸发连续浓缩,然后过滤、灭菌和干燥。

四、结论和未来展望

(一)结论

3D 生物打印在生物医学和制药领域取得了显著进展,但使用海洋衍生生物材料的生物墨水仍面临一些挑战,如形成结构稳定物体的能力有限和分辨率有限等。

(二)未来展望

未来的研究需要关注增强生物墨水的机械和生物特性,提高打印分辨率。海藻酸盐、胶原蛋白和明胶在生物墨水开发中具有广阔前景。

综上所述,本文全面介绍了 3D 生物打印技术、海洋衍生生物材料在生物墨水配方中的应用、当前发展和挑战以及机器学习在该领域的应用,为未来的研究和发展提供了有价值的参考。

参考文献:

Khiari Z. Recent Developments in Bio-Ink Formulations Using Marine-Derived Biomaterials for Three-Dimensional (3D) Bioprinting. Mar Drugs. 2024 Mar 16;22(3):134.

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http://www.chinasem.cn/article/1117991

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