《Biomaterials Advances》：A novel GelMA-OrnMA electrically conductive bioink for developing engineered neural tissues
编辑推荐：
本研究针对当前导电生物材料常需依赖合成聚合物、纳米材料及大量离子物种，易损害透明度、机械性能与生物相容性的问题，研究人员开发了一种新型鸟氨酸甲基丙烯酰化-明胶甲基丙烯酰化复合导电生物墨水。研究系统证明了GelMA-OrnMA水凝胶能够匹配天然神经组织的刚度、支持人源星形胶质细胞的3D培养增殖，并提供足以激活星形胶质细胞等电活性细胞类型所需的电导率。这项研究为开发兼具光学透明、电学传导和良好生物相容性的工程化神经组织提供了新材料和新策略。
在人体的精密“电路系统”——神经系统中，细胞不仅需要生长的支架，还需要能够传递和感受电信号的环境。理想的神经组织工程支架，正是这样一个能模拟细胞天然“家园”的生物材料。然而，传统上为了赋予材料导电性，研究者们常常需要引入金属纳米颗粒、碳纳米管或导电高分子等“外援”。这些添加物虽然能提升导电性，但往往会带来新的麻烦：影响材料的透明度使其难以观察细胞生长、改变材料的机械性能使其与柔软的大脑组织不匹配，甚至可能因降解产物的不确定性而引发生物相容性问题。这些挑战促使科学家们寻找更“内源”、更兼容的解决方案，旨在开发一种既能导电，又能保持优良机械性能、光学透明性和生物安全性的理想生物墨水。
为了回应这一需求，一项发表在《Biomaterials Advances》期刊上的研究报道了一种创新的解决方案。研究人员将目光投向了一种天然的氨基酸——鸟氨酸，通过化学修饰将其合成为鸟氨酸甲基丙烯酰化，并与广泛应用于组织工程的明胶甲基丙烯酰化共聚，创造出一种新型的GelMA-OrnMA复合导电生物墨水。这项研究详细阐述了该材料的合成、表征及其在神经组织工程应用中的潜力。
作者为开展研究，主要运用了以下关键技术方法：1. 化学合成：通过两步法合成鸟氨酸甲基丙烯酰化，并使用核磁共振氢谱进行了表征验证。2. 生物墨水制备与表征：制备了不同OrnMA浓度的GelMA-OrnMA预聚物墨水，系统评估了其光学透明度、光交联动力学、微观结构和物理性能（如压缩模量、溶胀率）。3. 电学性能测试：采用电化学阻抗谱测量了不同溶剂（去离子水和PBS）条件下水凝胶的电导率。4. 生物相容性与细胞行为评估：将人源U118-MG星形胶质细胞封装于水凝胶中进行三维培养，通过活/死染色、XTT增殖实验评估细胞活力和增殖，并通过F-actin/DAPI染色分析细胞形态和组织结构变化。5. 高分辨率生物打印：利用定制的可见光立体光刻生物打印系统，打印了包含细胞的高分辨率支架结构，验证了该生物墨水的可打印性及其在复杂结构中的应用潜力。
3.1. L-鸟氨酸甲基丙烯酰合成
研究首先成功合成了L-鸟氨酸甲基丙烯酰化，通过核磁共振氢谱验证了甲基丙烯酰基的成功取代。研究指出，单独的OrnMA无法形成稳定的水凝胶网络，因此选择GelMA作为基础生物材料，通过共聚获得复合水凝胶。
3.2. GelMA-OrnMA生物墨水表征
研究显示，GelMA-OrnMA预聚物墨水具有高光学透明度（>80%）。光交联动力学测试表明，添加OrnMA加快了交联速率，尤其在高浓度（15%）时最为迅速，但其形成的凝胶网络可能因异质性而变脆。频率扫描证实了交联后凝胶的固态性质。
3.3. GelMA-鸟氨酸水凝胶的物理和微观结构表征
扫描电镜显示，随着OrnMA浓度增加，水凝胶的孔隙尺寸增大，并在孔壁上观察到OrnMA形成的纤维簇和管状结构。力学测试表明，OrnMA的加入显著提升了水凝胶的压缩模量，10%和15% OrnMA的凝胶模量分别提高到约3.75 kPa和5.63 kPa，与脑组织（1–3.5 kPa）的刚度范围相当。溶胀率则随着OrnMA浓度增加而略有下降，但仍保持在90%以上的高水平。
3.4. GelMA-OrnMA水凝胶的电学表征
电导率测试是本研究的关键发现。当使用PBS作为溶剂时，与纯GelMA水凝胶相比，添加15% OrnMA可使电导率提升约18倍，达到81.72 ± 17.30 mS/m。这种电导率的提升归因于OrnMA引入的两性离子基团为离子迁移提供了“跳跃位点”，从而促进了离子导电。该电导率水平（超过10-2S/m）满足了神经元等电活性细胞微电流刺激的需求。
3.5. 生物相容性评估
细胞实验表明，GelMA-OrnMA水凝胶具有良好的生物相容性。活/死染色显示，封装在其中的星形胶质细胞在培养5天内保持了高活力。XTT增殖实验进一步证实，细胞能够在水凝胶中增殖，且在10-15% OrnMA的基质中增殖率更高。细胞形态分析显示，随着OrnMA浓度的增加，星形胶质细胞表现出更接近体内状态的细长形态和更复杂的网络化连接。
3.6. 工程化神经组织与生物打印
研究最后展示了利用GelMA-OrnMA生物墨水进行高分辨率生物打印的能力。打印出的精细支架结构成功封装了细胞，并在培养过程中支持了细胞的生长和网络化延伸。荧光染色图像清晰显示，细胞在打印的3D结构中呈现伸长的形态并形成了相互连接的网状结构，模拟了体内星形胶质细胞的典型特征。
总结来说，这项研究成功开发并全面表征了一种新型的GelMA-OrnMA导电生物墨水。其主要结论和创新意义在于：首先，该方法通过共价结合两性离子功能团（来源于OrnMA），在不依赖外源性导电添加剂（如金属颗粒或碳材料）的情况下，实现了GelMA水凝胶的本征导电性，有效避免了传统方法可能带来的透明度、生物相容性等问题。其次，所得材料的光学透明度高、机械性能可调（能与神经组织匹配）、且生物相容性优异。再者，研究证实该生物墨水不仅能支持星形胶质细胞的3D培养与增殖，其导电特性还能显著影响细胞的形态和组织方式，诱导其形成更接近天然状态的网络结构，这对于构建功能化的工程神经组织至关重要。最后，该墨水兼容高分辨率可见光生物打印技术，为制造具有复杂几何形状和细胞分布的可植入神经组织支架奠定了基础。这项研究为神经组织工程和再生医学领域提供了一种兼具导电性、生物相容性和可打印性的多功能生物材料新平台。
