生物3D列印技術是一種新興的生物製造技術，可用於在體外研究細胞行為和組織特性。脫細胞外基質（dECM）擁有天然組織的生物化學性質和微環境，但機械穩定效能較差，限制了其在生物3D列印中的應用。近期，華盛頓大學Yu Jung Shin團隊在Acta Biomaterialia雜誌發表題為“3D bioprinting of mechanically tuned bioinks derived from cardiacdecellularized extracellular matrix”的文章，報道了一種以dECM為基礎，加入奈米粘土和PEG-DA的生物3D列印墨水。這種墨水錶現出了優異的壓縮效能、形狀保真度、快速交聯和細胞相容性，並能夠透過改變PEG-DA的濃度調整墨水的彈性模量，表明了這種墨水在構建健康或纖維化心肌組織模型時的應用潛力。

一直以來，用於生物3D列印的生物墨水的主要挑戰是如何平衡擠出過程中墨水的流變效能和基質的物理化學特性。這就需要生物墨水有“剪下變稀”的特性，即當材料在高剪下應力下能夠表現出流體的特性，而在低剪下應力，或靜止條件下保持較高的粘度。dECM為基礎的生物墨水最大的特點是它保留了源組織特有的生長因子，細胞外基質蛋白和糖胺聚糖等；但dECM自身缺乏機械和結構穩定性，因此，若使用dECM作為生物墨水基礎，需要調整墨水配方以改善其機械穩定性。儘管已經有很多方法能夠改變基於dECM生物墨水的物理效能以模擬天然心臟組織，但目前還沒有能夠模擬纖維化後有一定組織剛度的病變心肌組織。因此，該團隊提出了一種基於cdECM，結合奈米粘土和PEG-DA的生物墨水。該種材料可透過改變PEG-DA的濃度來調整材料的機械剛度；能夠在細胞存活率較高的條件下在1分鐘內實現光交聯，彌補了前述中的侷限。

將心肌組織脫細胞處理後製成預凝膠。加入奈米粘土進行改性後加入預定濃度的PEG-DA和光引發劑。改變PEG-DA的濃度可以調整力學效能。分別測量材料的流變效能，壓縮模量和可列印性。此外，檢測植入細胞後細胞活力。

圖1 cdECM生物墨水製備及3D列印示意圖

該研究驗證了該種材料具有剪下變稀、自癒合特性。實驗結果表明，奈米粘土能夠使材料屈服應力增加，儲存模量提高；PEG-DA能夠增強基於cdECM的生物墨水的機械效能，能夠用於構建健康或病理性心臟疾病的模型；使用逐層固化的方法，發現隨高度增大線寬沒有明顯變化，說明了這種材料的良好的列印效能；加入奈米粘土和PEG-DA後，不同配比方案的細胞七天存活率均高於僅在cdECM中培養的細胞。

圖2 不同比例的cdECM-奈米粘土-PEG-DA生物墨水的流變效能

圖3 不同噴嘴尺寸、擠出壓力和材料配比的生物墨水列印成型結果

圖4 不同材料配比下細胞活性對比

文章報道了一種基於cdECM、複合奈米粘土和PEG-DA的生物墨水，能夠透過調整PEG-DA的含量來改變墨水的力學效能，使之能表現出符合生物3D列印的剪下變稀、自癒合等特性。該種墨水能夠較好模擬健康或纖維化後的心臟組織，彌補了此前墨水只能建立健康心臟模型的缺陷。

Shin, Y. J., et al. (2021)."3D bioprinting of mechanically tuned bioinks derived from cardiacdecellularized extracellular matrix." Acta Biomater 119: 75-88.

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.11.006