前言

生物打印可以快速生成定制形状的类器官结构，为组织工程和再生医学开辟了新的领域。生物墨水在推动生物打印发展方面的重要性再怎么强调都不为过。与传统的静态生物墨水相比，动态生物墨水具有可逆性的动态分子网络，能够模拟天然的细胞外基质(ECM)，提供细胞活性和生长，从而促进生物打印类器官结构的成熟，在过去的十年中得到了广泛的关注和快速发展，故迫切需要对研究现状进行全面系统总结(图1-2)。

课题组近期在Progress in Materials Science发表了Review文章“Dynamic bioinks for tissue/organ bioprinting: Principle, challenge, and perspective”。本综述概述了动态生物墨水的分子设计原理，涉及两种主要模式：超分子力和可逆化学键。然后，重点介绍了动态生物墨水在推进生物打印中的关键因素，包括可打印性、结构稳定性和对细胞行为的调节。最后，本文进一步讨论了利用动态生物墨水构建组织和器官的挑战和前景。硕士研究生马铎为论文第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员/天津大学刘文广教授为本论文的通讯作者。

图1 图文摘要

图2 动态生物墨水的定义和数据统计

天然ECM是构成细胞外微环境的非细胞框架，主要由大分子复合物组成，包括蛋白质、多糖和脂质。除了为细胞提供物理支持外，ECM还赋予细胞外环境特定的机械特性。与传统的静态网络不同，动态生物墨水被设计成可以复制ECM的多功能特性。我们详细描述用于生物打印的动态生物墨水的分子设计原则，包括基于超分子的生物墨水和动态化学键。其中，动态生物墨水主要分为两类：超分子相互作用和可逆动态键。超分子生物墨水的作用力主要包括氢键作用、主-客体作用、静电作用、π-π堆积和疏水作用。基于动态键的生物墨水也得到了广泛的研究，包括可逆Diels-Alder键、希夫碱键、腙键、硼酸键、硫酯键和二硫键(图3)。

图3 动态生物墨水的分子设计原理

总结与展望

虽然动态生物墨水具有诸多优势，并在ECM建模方面取得了显著进展，但从实验室成功转化为临床应用还存在许多困难和挑战。以下强调了这些和其他尚未解决或仍在研究中的关键挑战，并为未来的创新和转化提供了机会(图4)。

(1) 深入研究动态生物墨水与细胞之间复杂的动态相互作用成为开发动态生物墨水的关键任务和核心目标。这是为了精确建模复杂的ECM机制。

(2) 基于微观到宏观梯度的仿生动态生物墨水面临复杂分子设计、精确纤维自组装调控、宏观力学性能梯度设计等挑战。

(3) 这一跨学科领域需要科学家之间的合作，开发新的工具和模型，如纳入人工智能来驱动新型动态生物墨水的设计和应用。

(4) 动态生物墨水必须在创新型实验室和临床导向之间取得平衡。值得注意的是，应该避免过度追求创新的复杂性。在创新材料时，必须考虑其在真实医疗环境中的效用和安全性，以确保其按照预期工作。

图4 动态生物墨水临床转化的未来方向和挑战

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642525001057

课题组长期招聘博士后、研究助理等岗位，高分子材料、生物医学工程及生物制造等背景优先。有意者请将个人简历（pdf）发送至阮长顺老师邮箱cs.ruan@siat.ac.cn，邮件标题请注明“意向岗位+姓名+毕业学校”。欢迎有志之士加入。