药用聚合物打造3D打印水凝胶：BITS Pilani同时攻克皮肤支架与口服片剂

BITS Pilani的K.K. Birla果阿校区团队，用药用级聚合物做出了一种3D打印水凝胶。

他们还用这种材料打印了皮肤组织支架和定制化咀嚼药物片剂。

这项研究发表在《Journal of Biological Engineering》上。

水凝胶结合了三种已经在药物制造中使用过的成分。

来自Colorcon的Starch 1500是一种改性玉米淀粉，用来控制黏度。

来自Roquette的麦芽糊精有助于3D打印过程中的流动。

来自DuPont Nutrition的海藻酸钠则作为胶凝剂，通过与氯化钙反应实现固化。

这三种成分都是非动物来源，而且在受监管的制药和食品应用里已经有成熟的使用记录。

这一点很关键，因为大多数生物墨水依赖专用或动物来源的材料。

这些材料批次间差异大、成本更高，还要面对更长的监管审批周期。

在组织支架这个方向上，这些成分在打印过程中表现好不好，取决于水凝胶在压力下的行为。

这种材料的黏度为1.56 × 10⁶ mPa·s，落在基于挤出的3D生物打印可打印范围内。

它会在挤出力作用下变稀，流过喷嘴，沉积后恢复原始黏度的87%。

屈服应力为20 Pa，流动点为108 Pa。

这些特性在打印平台上转化成了稳定一致的结果。

团队用Trivima Basic生物打印机，在室温下制造了单层和五层网格结构，还有螺旋形状。

挤出线条平均宽度0.90 ± 0.06 mm，方形孔隙近乎完美，尺寸为1.04 ± 0.07 mm。

冻干支架的平均孔径是39.2 ± 13.8 μm，孔隙率62.7 ± 0.1%。

这个孔隙率落在被认为有利于伤口愈合的60-90%范围内。

支架在24小时内溶胀到其重量的72%，两周后开始降解，到第35天失去约82%的质量。

这个时间线对皮肤修复很重要，支架需要在早期愈合过程中保持结构完整，然后再逐渐分解。

这种材料还得有足够的强度来支撑组织生长。

由水凝胶浇铸的薄膜表现出33.9 ± 3.4 MPa的拉伸强度，处于人类皮肤报告的广泛范围内。

但断裂延伸率只有4.5 ± 0.6%，远低于皮肤支架通常要求的35-120%。

研究人员承认了这一点，并建议这种材料可能更适合身体活动较少的部位。

测试是在平面薄膜上做的，不是打印支架，所以这些数据描述的是原材料，而不是最终的打印结构。

除了机械性能，皮肤组织支架还得对活细胞安全。

L929小鼠成纤维细胞活力范围是75%到90%。

HaCaT人角质形成细胞在24小时时表现差一些，55-66%，但48小时能攀升到80%以上。

血液相容性测试显示溶血率为5.0 ± 0.0%，材料处于血液相容类别。

显微镜检查确认细胞在水凝胶表面生长，L929成纤维细胞在48小时时形成了良好的内部结构。

HaCaT细胞则长得慢一些。

研究后半部分用同样的水凝胶基底做了药物递送。

研究人员把2 mg格列美脲，一种口服糖尿病药物，和甜味剂、着色剂一起混进配方。

然后在室温下打印咀嚼片。

每片起始重量1,000 mg，冻干后大约150 mg。

五片药片的药物含量平均100.4%，标准差2.8%，药片在四小时内逐渐释放药物。

室温打印值得关注，因为它让这工艺适合热敏性药物。

不过研究没有把释放曲线和现有商业产品或药典标准做比较。

利用有成熟制药应用背景的聚合物来构建生物墨水，可能缩短从实验室到临床或商业应用的路径。

不过这个潜力还没在这里接受实际监管流程的检验。

水凝胶有限的拉伸性、早期HaCaT细胞活力较低、缺乏药物递送基准，这些问题都还在。

但一个单一平台用相同的商品化成分，服务两种不同的生物医学应用，这正是这项研究有更广泛意义的原因。

再看配方和打印控制的改进方向。

BITS Pilani团队并不是唯一试图缩小生物墨水配方和监管就绪材料之间差距的团队。

比如CollPlant推出了BioFlex，这是基于重组人胶原蛋白、适用于DLP生物打印的即打型套件。

这个套件专门用来减少经常拖慢组织工程研究的组分筛选。

它的做法是把生物墨水包装成标准化格式，来解决可重复性问题。

BITS Pilani走的是另一条路，从已经有批次一致性的商品化药用聚合物入手，而不是开发专有套件。

这种做法是不是更实用，还要再看。

但两个团队都把配方标准化当成优先事项，这一事实说明瓶颈已经被广泛感知。

药物递送方面，其他研究也展示了配方和打印参数怎么影响3D打印药物的性能。

查尔斯大学和其他捷克、斯洛伐克机构的研究人员，开发了肠道靶向片剂。

他们用SLS 3D打印核心，再用FDM做包衣。

通过调整配方和打印条件，他们先在模拟胃液里阻止药物释放，然后在肠道里实现控制释放。

BITS Pilani的研究还处在更早期，展示了稳定的药物含量和四小时内的逐渐释放。

但没有把药片和现有产品比较，也没有针对特定释放部位。

这个对比说明，能打印出药物配方，只是迈向控制药物性能的早期一步。

这项研究题为《基于药用聚合物的水凝胶用于3D生物打印药物递送和组织工程应用》。

作者是Hemant Kumar Bankhede、Maheswari Sivaravi、Antara Poi Raiturker、Prajakta Praveen Bhende、Sagar B. Kale、Mamta Keshav Tari、Asima Shaukat和Anasuya Ganguly，他们共同完成了这项工作。