技術(shù)文章
Technical articles圖1. 姜黃鈉的合成。a. 用姜黃素和碳酸氫鈉合成姜黃素鈉(Cur-Na)的過(guò)程。姜黃素分子中酚羥基的H+被Na+取代(紅色橢圓),而姜黃素中的羰基鍵發(fā)生酮-烯醇互變異構(gòu)(藍(lán)色橢圓)。b. 姜黃素和Cur-Na的1H-NMR光譜,顯示了合成過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)性質(zhì)的代表性變化。藍(lán)色陰影區(qū)域表示酚羥基的特征共振(δ=9.65ppm)。綠色陰影是烯烴信號(hào)(δ=5.93ppm),表明C=C雙鍵的形成。
圖2. 生物墨水的物化性質(zhì)。添加了不同濃度光抑制劑的生物墨水(PEG-GelMA/LAP)的儲(chǔ)能模量(G'反映材料的剛度)和損失模量(G''反映材料粘度)隨時(shí)間的變化:a.檸檬黃和b. Cur-Na。G'和G'之間的交叉點(diǎn)被稱(chēng)為凝膠點(diǎn),而凝膠時(shí)間被定義為曝光開(kāi)始至凝膠點(diǎn)的時(shí)間(在該研究中約為20秒)。生物墨水在405nm、13mW cm?2的光照下曝光30s。陰影區(qū)域表示曝光時(shí)間。c. 水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。d. 三種水凝膠在~20%應(yīng)變下的彈性模量。三種生物墨水的e. 溶脹比和f. 溶膠分?jǐn)?shù)對(duì)比。
圖3. Cur-Na抑制散射效應(yīng)的機(jī)制。a. 示意圖顯示了當(dāng)光穿透生物墨水時(shí)光強(qiáng)的高斯分布以及不同情況下產(chǎn)生的固化區(qū)域,包括無(wú)散射、有散射、與細(xì)胞混合的生物墨水和添加Cur-Na的生物墨水。Cd和Cw分別是固化深度和固化寬度。E0表示生物墨水表面的光強(qiáng)度,而EC是引發(fā)聚合所需的臨界能量。b. Cur-Na自由基鏈生長(zhǎng)聚合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程由三個(gè)階段控制:(1)引發(fā)、(2)鏈傳播、(3)(4)終止。ki,kp,ktc和ktd分別是四種反應(yīng)中的速率常數(shù)。每個(gè)Cur-Na與三個(gè)自由基(R·)反應(yīng),引發(fā)聚合物鏈生長(zhǎng),形成單體(M)。激活后的單體可以與其他單體反應(yīng),聚合物鏈通過(guò)傳播而增長(zhǎng),形成Mn·和Mm·。當(dāng)鏈傳播通過(guò)終止反應(yīng)終止時(shí),形成聚合物(Mn和Mm)。c. Cur-Na和PEGDA聚合過(guò)程中官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化率與時(shí)間的關(guān)系。散射區(qū)域的自由基可以被Cur-Na快速消耗;水凝膠單體由于缺乏自由基而難以在散射區(qū)域形成聚合物。
圖4. 水平方向打印精度分析。a. 輻條狀圖案用于評(píng)估打印精度,從中心到外圍相鄰輻條之間的間隙增加。打印精度被定義為模糊區(qū)域直徑(紅色虛線(xiàn)圓圈)與輻條狀圖案直徑的比值。b. 載細(xì)胞結(jié)構(gòu)的熒光染色圖。c. 打印結(jié)構(gòu)的顯微圖像,顯示了純PEG-GelMA生物墨水(上)和添加了檸檬黃(中)和Cur-Na的生物墨水(下)的模糊區(qū)域(紅色虛線(xiàn)圓圈)大小與相對(duì)曝光能量的關(guān)系。Er指相對(duì)能量,定義為實(shí)際光能與單位曝光量的比。d. 模糊區(qū)域大小與曝光能量的定量關(guān)系。e. Cur-Na的高精度打印窗口,灰色、紅色、藍(lán)色區(qū)域分別代表含1mM、2mM、3mM Cur-Na生物墨水的打印窗口寬度。f. 載細(xì)胞打印結(jié)構(gòu)的模糊區(qū)域大小與曝光能量之間的定量關(guān)系。
圖5. 多層打印中的中空通道打印性分析與評(píng)定高保真度的打印誤差分析。a. 具有不同直徑(D=300、500和700μm)通道的圓柱體的3D CAD設(shè)計(jì)。H表示圓柱體的高度,而h1、h2和h3是通道的中空部分。打印精度定義為中空部分與通道總長(zhǎng)度之間的比率。b. 連續(xù)層打印中的散射效應(yīng)及其引起的過(guò)固化現(xiàn)象。c-e. 打印精度隨圓柱體直徑的高度和通道直徑的關(guān)系。f. 具有不同直徑的多通道結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計(jì)。g. 分別使用含Cur-Na和檸檬黃的生物墨水打印的樣品。h. 通道的實(shí)際直徑與設(shè)計(jì)直徑間的差異。
圖6. Cur-Na在打印生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中常用的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)時(shí)的分辨率和高保真度。a. 脊髓支架。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)呈現(xiàn)不規(guī)則的通道和薄壁網(wǎng)絡(luò),模仿脊髓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使用兩種類(lèi)型的水凝膠成功地制備了支架:PEG-GelMA(10%)和甲基丙烯酸縮水甘油酯改性的絲素蛋白(Sil-MA(15%))。b. 具有多個(gè)分支、可灌注通道(200-800μm)和薄壁(~100μm)的血管網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)注射有色染料溶液進(jìn)行灌注。c. 具有獨(dú)。特拓?fù)涮卣鳎ㄇ?、高孔隙率和連通性)的gyroid支架。d. 打印載HepG2細(xì)胞的gyroid支架并培養(yǎng)14天,展現(xiàn)了良好的細(xì)胞增殖效果。
圖7. 基于PC-12細(xì)胞體外培養(yǎng)的Cur-Na 細(xì)胞相容性評(píng)價(jià)。a. 細(xì)胞活死染色熒光圖展示了細(xì)胞14天的活力(綠色:活細(xì)胞;紅色:死細(xì)胞)。b. CCK-8測(cè)定細(xì)胞增殖情況。細(xì)胞在支架中增殖14天,PEG-GelMA/Cur-Na水凝膠中的細(xì)胞展現(xiàn)出最。。好的增殖效果。c. 使用PEG-GelMA/Cur-Na水凝膠制造的通道支架(直徑200μm)的熒光圖像顯示了均勻的細(xì)胞分布。最后一張圖像顯示了細(xì)胞沿著通道的生長(zhǎng)情況。d. 第1、7和14天脊髓支架中通道的共聚焦圖像。e. 熒光圖像顯示種植在PEG-GelMA/Cur-Na支架表面的PC-12細(xì)胞的分化和突起形成(第7天)。Tuj-1:Beta3-微管蛋白;DAPI:4’,6-二胺基-2苯基吲哚。
結(jié)論