东华大学张耀鹏、姚响，上海市第六人民医院魏海峰《Compos. Part B-Eng》：兼具应变传感和软骨生成活性的丝素蛋白基3D打印支架
机体受力组织长期受到各种力学刺激，易损伤或产生病变。类似组织缺少血管和神经，自我修复能力有限，需借助与组织的微观结构和力学性能相匹配的生物支架材料进行重建和修复。若支架材料同时还能在位监测对应组织微环境中的力学刺激信号，则利于指导后续修复材料或修复策略的优化。传统方法制备的支架材料结构简单，应用范围有限。3D打印作为一种新型的加工成型方式，能够根据患者的不同需求，快速精确地制备出个性化组织工程支架，进而较好地满足不同部位、不同缺损形状对组织工程支架外观形貌的需求。但目前用于受力组织修复和重建的生物支架材料并不能同时满足相应组织微环境应变传感和力学性能仿生的要求。因此，利用3D打印技术制备出兼具微观结构和力学性能等仿生特征、并可在位监测体内应变等微环境信号的生物支架材料具有重要的理论研究和临床应用价值。
基于此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授、姚响副教授团队联合上海市第六人民医院魏海峰副主任医师团队以生物相容性优异的丝素蛋白（RSF）和具有良好机械及应变感应性能的聚丙烯酰胺（PAM）为基体材料，以氧化细菌纤维素纳米纤维（OBC）为填料，采用温和的白光固化通过“一步法”制备出具有双交联网络结构的三元复合3D打印支架（RSF/PAM/OBC）。通过体外和体内实验研究全面考察和验证了相关3D打印支架的综合力学性能、应变传感能力和软骨生成活性（图1）。
图1. RSF/PAM/OBC三元复合3D打印应变传感支架的设计及综合功能验证示意图
研究结果表明，单独的RSF或RSF/AM均不具备研究所需的可打印性，而OBC的添加则有效解决了这一问题，进而赋予了RSF/AM/OBC生物墨水所需的可打印性。此外，OBC的含量也会显著影响生物墨水的可打印性和3D打印支架的形态特征（图2）。其中，OBC-6.3 wt% 生物墨水的打印性能最好，且其对应3D打印支架中的纳米纤维能很好地沿着相应的打印线条取向，这有望更好地促进细胞粘附和受损组织的修复。
图2. 生物墨水的流变特性、可打印性以及打印支架的形态特征。(a) 生物墨水在不同剪切速率下的粘度；(b) 生物墨水的储存模量和损耗模量与剪切频率的函数关系；(c) 不同 OBC 含量的 RSF/AM/OBC 生物墨水所打印支架的外观形貌照片；(d) 不同 OBC 含量的 RSF/AM/OBC 生物墨水的可打印性参数（Pr）；(e) 典型 OBC 含量的 RSF/AM/OBC 生物墨水所打印支架的SEM图像
基于前述结果，进一步选用生物墨水RSF/AM/OBC（OBC-6.3 wt%）所打印的支架开展全面的性能评估与对比。体外测试包括打印支架的力学性能、应变传感性和细胞相容性。相关实验结果表明，打印支架OBC-6.3 wt%具有优秀的力学性能、能够与天然软骨组织相适配，且具有优秀的抗疲劳性能（图3）。此外，打印支架OBC-6.3 wt%还能够实时监测人体表不同部位的弯曲运动和同一部位不同弯曲幅度的应变信号；细胞实验结果也表明该支架同时具有良好的细胞相容性，细胞在支架上培养 7 天后的存活率仍高达92.4 %（图4）。
图3. 典型OBC含量的RSF/AM/OBC生物墨水所打印支架的力学性能。(a) 拉伸力学性能测试示意图；(b) 弹性模量；(c) 断裂伸长率；(d) 压缩力学性能测试示意图；(e) 压缩模量；(f) 压缩强度；（g）耐疲劳性能测试示意图；（h）6.3 wt% OBC支架压缩循环第 1、500、和1000 次的滞后环，应变为 30%；（i）6.3 wt% OBC支架在压缩形变为30 %时的压缩应力随循环次数的变化情况
图4. 使用6.3 wt% OBC生物墨水所打印支架的应变传感性能和细胞相容性。 (a, b) 3D打印支架监测人体食指运动（不同弯曲角度）；(c, d) 3D打印支架监测人体肘关节运动（不同弯曲角度）；(e) 细胞在3D打印支架上培养7天后的活/死荧光染色图
为进一步探讨3D打印支架6.3 wt% OBC在机体内的应变传感和组织修复功能，研究者采用在兔子皮下植入的方式深入评价了该支架在皮下组织微环境中的应变信号监测能力及异位成软骨活力。动物实验结果表明，3D打印支架6.3 wt% OBC可实现对皮下组织微环境中应变信号的实时有效监测（图5）。此外，支架植入14天后的免疫组化染色和软骨特异性基因表达结果均表明3D打印支架6.3 wt% OBC能够明显促进软骨特异性基因和蛋白的表达，其软骨生成活性优于相关对照组（图6）。
图5. 3D打印支架6.3 wt% OBC的体内应变传感特性。(a) 兔子跳跃运动（蹲下-跳跃-蹲下）的监测示意图；(b) 3D打印支架对兔子后腿相对较小和较大幅度跳跃运动的监测结果
图6. 典型3D打印支架和水凝胶植入皮下的异位成软骨能力评估结果。(a）植入 2周后所述材料-细胞复合体的免疫组化染色结果；（b）植入2周后所述材料-细胞复合体中细胞的软骨特异性基因表达情况。“Δ”：p > 0.05，“*”：0.01 < p < 0.05，“**”：0.001 < p < 0.01，“***”：p < 0.001
综上，本研究所开发的3D打印RSF/PAM/OBC（OBC-6.3 wt%）支架兼具优秀的应变传感和软骨生成活性。所述丝素蛋白基3D打印可植入应变传感支架的构建及功能验证可为受力组织工程支架的设计和开发提供有益借鉴和参考，结合体内外应变传感研究结果，有望进一步在实现典型受力组织再生修复的同时采集对应组织微环境中关键力学刺激信号以用于指导后续修复材料或修复策略的优化。
近日，相关研究成果以题为Silk fibroin/polyacrylamide-based tough 3D printing scaffold with strain sensing ability and chondrogenic activity发表于Composites Part B: Engineering期刊上。论文第一作者为东华大学硕士生耿亚楠和上海市第六人民医院博士生刘铁鑫，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授、姚响副教授和上海市第六人民医院魏海峰副主任医师。东华大学博士生赵梦露为该论文共同作者。该工作得到了上海市科委国际合作项目和国家自然科学基金等项目的大力支持。
原文信息与链接：
Geng YN, Liu TX, Zhao ML, Wei HF*, Yao X*, Zhang YP*. Silk fibroin/polyacrylamide-based tough 3D printing scaffold with strain sensing ability and chondrogenic activity. Compos. Part B-Eng., 2024; 271: 111173.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823006765
