用于3D生物打印药物递送和组织工程应用的药用聚合物基水凝胶

《Journal of Biological Engineering》：Pharmaceutical polymer-based hydrogels for 3D bioprinted drug delivery and tissue engineering applications

　　

摘要

引言

3D生物打印技术能够逐层构建活体组织结构，实现针对患者的个性化定制。这项技术在再生医学和药物研发领域具有巨大潜力。然而，由于材料差异、安全问题、成本限制以及监管要求，其广泛应用仍面临诸多障碍。

背景

本研究探讨了将安全、廉价且符合监管要求的药用聚合物作为3D生物打印的生物材料的可能性。重点研究了以Starch 1500^?、麦芽糊精和海藻酸钠为原料制成的水凝胶。研究旨在通过半固态挤出型3D生物打印技术，评估这些材料在皮肤组织工程和口服药物递送方面的应用潜力。

结果

通过FTIR分析确认了水凝胶的离子交联特性。该水凝胶的粘度为1.56×10⁶ mPa·s，适合进行半固态挤出生物打印，在常温条件下具有优异的打印性能。利用该水凝胶可制备出多层支架，其纤维均匀、孔隙呈规则的正方形结构，形状保持性良好。流变学分析显示，该水凝胶在受力时呈现剪切变稀特性，静置时具有87%的触变恢复率，整体行为更接近固体。浇铸而成的薄膜抗拉强度为33.9 MPa，延展性较差；而冻干后的支架则具有较高的孔隙率，平均孔径为39.2 μm。3D打印出的支架在24小时内会膨胀72%，两周后开始出现降解迹象。生物学评估表明，这些材料无细胞毒性，皮肤相关细胞L929和HaCaT细胞的存活率超过70%，同时具有良好的血液相容性，溶血率为5.0%。共聚焦显微镜观察显示，细胞可在交联水凝胶表面生长，进一步证明了其在皮肤组织工程中的应用潜力。此外，含有格列美脲的生物墨水也被成功制成咀嚼片用于药物递送，这些咀嚼片具有较好的物理性质，内容物均匀性达100.4%，且溶解试验显示其在四小时内可实现持续释放。

结论

我们的研究表明，药用级聚合物基水凝胶是用于3D生物打印实现皮肤组织工程和药物递送的极具前景的材料。本研究的成果凸显了这类材料在推动生物打印技术及其相关应用发展方面的巨大潜力。

图表摘要