在當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，組織工程的作用越來越重要——通過將生物材料（支架）、細(xì)胞和生物因子整合，有望實(shí)現(xiàn)對生物組織和器官的修復(fù)。對于組織工程而言，能否構(gòu)建滿足一定形狀要求、具有類似細(xì)胞外基質(zhì)特性、能為組織生長提供所需生物環(huán)境和力學(xué)支撐的三維結(jié)構(gòu)支架，至關(guān)重要。在構(gòu)建所需三維支架的多種方式中，生物3D打印最具潛力。相較于其他傳統(tǒng)方法，其優(yōu)勢在于，簡單、快速、容易滿足不同情況下的個(gè)體化需求等。不過，在生物3D打印含細(xì)胞組織工程支架的過程中，選用合適的生物打印墨水是一大難題。基于傳統(tǒng)水凝膠的生物墨水存在擠出困難、可打印性差、力學(xué)強(qiáng)度不足、細(xì)胞長期活性難以維持等缺點(diǎn)。
     如何研制一種打印性能良好、形狀穩(wěn)定不易塌陷、兼具良好生物相容性的3D打印生物墨水，是生物3D打印領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。2019年3月4日，據(jù)悉，臺(tái)灣大學(xué)高分子科學(xué)與工程研究所徐善慧教授課題組近期設(shè)計(jì)并制備了一種新型雙刺激響應(yīng)型生物可降解聚氨酯分散體。這款全新的、性能優(yōu)異的生物可降解墨水，有望解決生物3D打印墨水的成型固化問題。徐善慧課題組與杭州捷諾飛生物科技股份有限公司建立長期合作，自引進(jìn)捷諾飛自主開發(fā)的生物3D打印設(shè)備Bio-Architect-WS至今已有一系列科研成果?；谛卵邪l(fā)的聚氨酯分散體生物可降生物墨水，徐善慧課題組用Bio-Architect?-WS打印出形狀穩(wěn)定、線條清晰的三維支架。

圖1 雙響應(yīng)可降解聚氨酯的合成和化學(xué)結(jié)構(gòu)

     如圖1所示，該性能優(yōu)異生物可降解墨水主要由三部分構(gòu)成：主鏈為PCL+PLLA或PDLLA的軟段；具有結(jié)晶性和陰離子性的硬段；具有光交聯(lián)功能的末端HEMA雙鍵基團(tuán)。據(jù)介紹，這種雙響應(yīng)聚氨酯水分散體可先后發(fā)生兩步不同機(jī)理的固化：首先，在紫外光照和光引發(fā)劑作用下末端HEMA基團(tuán)交聯(lián)，形成初步交聯(lián)固化；而后，在溫度接近生理溫度（37℃）附近，聚氨酯軟段發(fā)生粒子間相互結(jié)合，在溶液中產(chǎn)生物理交聯(lián)聚集體，即溫度敏感下的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變固化，如圖2。

圖2 雙響應(yīng)聚氨酯水分散體的雙步固化過程示意圖

研究者發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過紫外光固化和37℃溫敏固化后，這種聚氨酯水分散體墨水具有適宜于3D打印的流變性能，具有良好的模量和剪切變稀性，如圖3。

圖3 聚氨酯生物墨水的流變特性

   值得關(guān)注的是，這種雙響應(yīng)固化的墨水具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。由于兩種固化方式并存，不同配方的墨水在固化后可分別抵抗30 Pa和20 Pa的剪切應(yīng)力，具有良好的蠕變后恢復(fù)性能。研究者采用杭州捷諾飛生物科技開發(fā)的生物3D打印設(shè)備，可打印出形狀穩(wěn)定、線條清晰的三維支架，并且打印得到的支架的強(qiáng)度足以輕松用手指來拿取，如圖4。

圖4 3D打印支架的抗蠕變性能和力學(xué)性能

   另一方面，混合細(xì)胞打印結(jié)果表明，細(xì)胞在這種支架內(nèi)部的活性并沒有因支架的力學(xué)性能而受到影響。成纖維細(xì)胞在支架內(nèi)的長期活性優(yōu)于細(xì)胞培養(yǎng)基對照組，并且這種支架還能有效支持神經(jīng)干細(xì)胞的生長和分化。即便沒有培養(yǎng)基誘導(dǎo)，生長于支架內(nèi)的神經(jīng)干細(xì)胞分化相關(guān)基因表達(dá)總體上顯著高于二維平面培養(yǎng)，顯示了這種三維組織工程支架具有良好促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)膠質(zhì)和神經(jīng)元表型分化的特性，如圖5。

圖5 神經(jīng)干細(xì)胞在三維支架內(nèi)的增殖和分化