3D打印明胶水凝胶墨水，结合氧化石墨烯以实现自发的成肌分化

【科研摘要】

三维（3D）生物打印已经吸引了相当多的关注，以生产3D工程细胞微环境，该环境复制复杂且复杂的本机细胞外基质（ECM）以及许多理化和生物学线索的时空梯度。尽管已经报道了各种基于水凝胶的生物墨水，但是能够精确再现ECM的复杂性并模拟满载细胞的固有特性的先进生物墨水材料的开发仍然是一个挑战。最近，釜山国立大学Dong-Wook Han/韩国亚洲大学Ki Dong Park教授团队报道了由富含酚的明胶（GHPA）和氧化石墨烯（GO）组成的3D可打印生物墨水，该物质是诱导肌发生的材料的组成部分，可通过双重酶介导的交联反应原位形成水凝胶网络。原位可固化的GO/GHPA水凝胶可以成功地用作3D可打印的生物墨水，以提供合适的细胞微环境，并促进C2C12骨骼肌成肌细胞的成肌分化。总体而言，研究团队建议功能性生物墨水可能在肌肉组织工程和再生医学中有用。相关论文以题为Three-Dimensional Printable Gelatin Hydrogels Incorporating Graphene Oxide to Enable Spontaneous Myogenic Differentiation发表在高分子领域顶刊《ACS Macro Letters》上。

【主图】

图1. GO/GHPA水凝胶基质的3D生物打印和理化特性。（A）原位可交联GO/GHPA水凝胶的3D打印程序的示意图。（B）溶胶-凝胶相变和GO/GHPA矩阵的3D打印构造的数字图像。

图2. GO/GHPA生物墨水的细胞相容性。（A）在3D打印后立即显示充满细胞的3D打印构造物的数字荧光显微图像。（B）封装在GO/GHPA基质中7天的C2C12细胞的细胞形态和活力。（C，D）细胞活力的定量。（C）绿色和红色荧光的荧光强度。（D）在每个时间点的绿色和红色荧光的信号百分比。

图3.载有C2C12细胞的水凝胶的成肌分化。（A）在GM（GHPA @ GM）中培养的载有细胞的GHPA，在DM（GHPA @ DM）中培养的GHPA和在GM（GO/GHPA @ GM）中培养的GO/GHPA的共聚焦显微镜。B）通过共聚焦显微镜的z-stack成像获得GO/GHPA @ GM的3D图像。（C）每细胞面积的MHC阳性面积之比。（D）代表f-肌动蛋白取向的颜色映射和定量。每种颜色代表f-肌动蛋白的角度，而不是荧光的角度。（E）GHPA @ GM，GHPA @ DM和GO/GHPA @ GM中C2C12细胞的肌原性分化的分子分析。

【总之】

该研究评估了GO/GHPA水凝胶作为骨骼肌组织工程生物活性生物墨水的潜力。将GO纳米颗粒成功地掺入了GHPA水凝胶中，而对微观结构和机械性能没有任何有害影响，甚至没有改善的热稳定性。3D打印具有C2C12骨骼肌成肌细胞的GO/GHPA水凝胶，结构保真度高，对细胞活力没有任何阻碍。3D打印的构建体在细胞培养环境下稳定，可进行长期培养。GO/GHPA水凝胶的微孔结构和蛋白水解可降解特性可以为细胞生长提供合适的微环境。水凝胶的微孔结构以及GO吸附蛋白质的能力促进了细胞的代谢活性和行为，如粘附和增殖。GO的几个特征（例如粗糙度，表面氧含量和电导率）可诱导肌发生，尽管确切的分子机制仍然很少。GO/GHPA水凝胶的成肌诱导作用通过免疫细胞化学分析和成肌特异性标志物的免疫印迹进行评估。

TOC

结果表明，C2C12成肌细胞的肌原性分化是自发促进的，而没有任何肌原性分化诱导因子。这些结果表明，GO/GHPA水凝胶可用作功能性生物墨水，可用作骨骼肌组织再生的治疗支架。关于体内效率评估的进一步研究将导致3D打印的GO/GHPA水凝胶成为骨骼肌组织再生的新方法。