皮拉尼BITS学院K.K. Birla果阿校区的一个团队开发了一种由医药级聚合物制成的可3D打印水凝胶，并用它打印了皮肤组织支架和定制化可咀嚼药片。该研究发表在《生物工程杂志》上，这种水凝胶结合了三种已用于药物制造的原料。来自Colorcon的Starch 1500（一种改性玉米淀粉）控制粘度，来自Roquette的麦芽糊精辅助3D打印过程中的流动，而来自杜邦营养与健康事业部的海藻酸钠则作为胶凝剂，通过氯化钙反应硬化。这三种原料均不含动物成分，且在受监管的制药和食品应用中已有成熟使用历史，这一点很重要，因为大多数生物墨水依赖于专用或动物源性材料，这些材料往往批次间存在差异、成本更高，并且面临更长的监管审批周期。
评估水凝胶用于组织支架
这些原料是否能在打印过程中表现良好，取决于水凝胶在压力下的行为。该材料的粘度为1.56 × 10⁶ mPa·s，处于挤出式3D生物打印的可打印范围内。它在挤出力的作用下变稀，通过喷嘴流动，沉积后恢复87%的原始粘度。屈服应力为20 Pa，流动点为108 Pa。这些特性在打印床上转化为一致的结果。使用Trivima Basic生物打印机在室温下，该团队生产了单层和五层网格结构以及螺旋形状。细丝宽度平均为0.90 ± 0.06毫米，方形孔近乎完美，尺寸为1.04 ± 0.07。冻干支架的平均孔径为39.2 ± 13.8 μm，孔隙率为62.7 ± 0.1%，处于被认为有利于伤口愈合的60-90%范围内。支架在24小时内膨胀至其重量的72%，两周后开始降解，到第35天失去约82%的质量，这个时间线对于皮肤修复具有相关性，即在早期愈合过程中支架需要保持完整，然后逐渐分解。
基于半固态挤压成型的水凝胶3D生物打印。图片来源：Bankhede等人，《生物工程杂志》。
该材料还需要足够坚固以支持组织生长。由水凝胶浇铸的薄膜表现出33.9 ± 3.4 MPa的拉伸强度，处于人类皮肤的广泛报告范围内，但断裂伸长率仅为4.5 ± 0.6%，远低于皮肤支架通常所需的35-120%伸长率。研究人员承认了这一点，并建议该材料可能适合身体不常移动的部位。测试也是在平板薄膜上进行的，而不是打印的支架，因此这些数据描述的是原材料而非最终打印结构。除了机械性能外，皮肤组织支架还必须对活细胞安全。L929小鼠成纤维细胞活力在75%到90%之间，而HaCaT人角质形成细胞在24小时时表现较差（55-66%），但在48小时后攀升至80%以上。血液相容性测试显示溶血率为5.0 ± 0.0%，将该材料归为血液相容类别。显微镜检查证实细胞在水凝胶表面生长，L929成纤维细胞在48小时时形成了组织良好的内部结构，而HaCaT细胞生长较慢。
用于药物递送
研究的第二部分使用相同的水凝胶基础进行药物递送。研究人员将2毫克的格列美脲（一种口服糖尿病药物）与甜味剂和着色剂混合到配方中，然后在室温下打印出可咀嚼药片。每片药片起始重量为1000毫克，冻干后约为150毫克。五片药片的药物含量平均为100.4%，标准差为2.8%，药片在四小时内逐渐释放药物。室温打印值得注意，因为它使该工艺与热敏药物兼容，但该研究未将释放曲线与现有商业产品或药典标准进行比较。利用具有成熟制药用途的聚合物构建生物墨水，可能会缩短从实验室到临床或商业用途的路径，尽管这一潜力尚未在实际监管流程中得到验证。关于水凝胶有限的拉伸性、较低的早期HaCaT活力以及缺乏药物递送基准的问题仍然存在。尽管如此，一个单一平台使用相同的商品化原料服务于两种不同的生物医学应用，正是这项研究具有更广泛相关性的原因。
改进配方与打印控制
皮拉尼BITS团队并不是唯一试图缩小生物墨水配方与监管就绪材料之间差距的团队。例如，CollPlant推出了BioFlex，这是一种基于重组人胶原蛋白的即用型生物打印套件，专为DLP生物打印设计，旨在减少常规阻碍组织工程研究的成分筛选。该方法通过将生物墨水包装成标准化格式来解决可重复性问题。皮拉尼BITS的研究采取了不同的路线，从已经具有批次间一致性的商品化制药聚合物入手，而不是开发专有套件。这种做法是否更实用还有待观察，但两个团队都将配方标准化视为优先事项，这表明瓶颈是被广泛感受到的。
格列美脲2毫克3D打印咀嚼片含量均匀度测试结果。图片来源：Bankhede等人，《生物工程杂志》。
在药物递送方面，其他研究显示了配方和打印参数如何影响3D打印药物的性能。查尔斯大学以及其他捷克和斯洛伐克机构的研究人员开发了使用SLS 3D打印核心和FDM包衣的肠道靶向药片。通过调整配方和打印条件，他们在模拟胃液中阻止了药物释放，随后在肠道中实现了受控释放。
皮拉尼BITS的研究处于较早阶段，证明了药物含量一致且在四小时内逐渐释放，但未将药片与现有产品进行比较或针对特定释放部位。这一比较表明，生产可打印的药物配方是控制药物性能的早期步骤。这项题为“用于3D生物打印药物递送和组织工程应用的制药聚合物基水凝胶”的研究由Hemant Kumar Bankhede、Maheswari Sivaravi、Antara Poi Raiturker、Prajakta Praveen Bhende、Sagar B. Kale、Mamta Keshav Tari、Asima Shaukat和Anasuya Ganguly完成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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