用于3D打印和電活性組織支持的可注射導(dǎo)電顆粒水凝膠

來源： EngineeringForLife

導(dǎo)電水凝膠對(duì)模擬生物組織的電生理環(huán)境和治療應(yīng)用具有吸引力?？勺⑸浜蛯?dǎo)電的水凝膠特別適用于3D打印或直接注射到組織中。然而，目前為水凝膠增加電導(dǎo)率的方法不足，導(dǎo)致不良的膠凝，脆性或不足的電導(dǎo)率。通過在制造過程中混合導(dǎo)電和非導(dǎo)電微凝膠，可以輕松地改變顆粒狀水凝膠的電導(dǎo)率，并且可以將其應(yīng)用于晶格的3D打印并彌補(bǔ)肌肉缺陷。這種導(dǎo)電顆粒水凝膠的多功能性將允許在需要導(dǎo)電材料的眾多應(yīng)用中使用。

近期，賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系J. A. Burdick教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Science雜志上發(fā)表了題為Injectable and Conductive Granular Hydrogels for 3D Printing and Electroactive Tissue Support的文章，開發(fā)了一種利用微凝膠的堵塞來形成可注射的顆粒狀水凝膠，由于在這種獨(dú)特設(shè)計(jì)中在高表面積的堵塞界面處存在金屬納米粒子，因此與類似處理的非粒子（即本體）水凝膠或不含金屬納米粒子或不包含封裝納米粒子的粒狀水凝膠相比，粒狀水凝膠具有更高的電導(dǎo)率。

圖1 受植物來源的沒食子啟發(fā)并用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的導(dǎo)電顆粒水凝膠的整體示意圖

將透明質(zhì)酸（HA）加工成水凝膠微粒（即微凝膠）并將它們組裝成包括金屬-酚配位的固體顆粒，在可注射和導(dǎo)電水凝膠的開發(fā)中引入一個(gè)新概念。通過加入沒食子酚部分引入原位金屬還原，這是普遍存在于多種植物，水果，蔬菜和堅(jiān)果中的多酚。當(dāng)與沒食子醇的這種氧化結(jié)合時(shí)，金屬離子（例如，M +）被還原以產(chǎn)生金屬納米顆粒（例如，M0）。此外，膽甾醇可充當(dāng)螯合劑以與金屬納米顆粒形成配位網(wǎng)絡(luò)。與嵌入技術(shù)相比，由導(dǎo)電材料的前體就地合成導(dǎo)電材料是一種有吸引力的方法，可以提高電導(dǎo)率和機(jī)械性能。此外，粒狀水凝膠的固有可注射性，允許制造3D打印的電活性圖案（例如，可穿戴和靈活的電子設(shè)備）以及生物組織（例如，心肌，骨骼?。┑碾娚碇С?。

圖2 導(dǎo)電顆粒水凝膠的制備及其表征

制備HA微凝膠，然后進(jìn)行原位金屬還原以提供導(dǎo)電性。通過產(chǎn)生MeHA或MeHA-Ga的油包水小滴，用紫外線進(jìn)行光交聯(lián)并從油洗去，在微流體通道中制備直徑約90 μm的微凝膠。微凝膠中的沒食子醇部分促進(jìn)原位銀還原，從而引入銀納米顆粒（AgNPs），略微增加了微凝膠的大小，并且通過改變425 nm處的微凝膠的顏色和吸光度而可視化，證明了量子等離子體激元共振AgNPs。

圖3 不使用或使用AgNPs的粒狀水凝膠的流變性

將微凝膠塞入固體材料（即顆粒狀水凝膠）中，分析了水凝膠的流變性。銀還原過程將顆粒狀水凝膠的儲(chǔ)能模量G'有所提高。顆粒狀水凝膠具有剪切稀化和自修復(fù)性。此外，具有AgNPs的顆粒狀水凝膠具有較高的應(yīng)變和較低的粘度。

圖4 顆粒水凝膠的電導(dǎo)率

由于原位合成的AgNPs的表面積較大，因此可以提高顆粒狀水凝膠的電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電流流動(dòng)。在不存在AgNPs的微凝膠中觀察到有限的電導(dǎo)率，并且AgNPs的添加改善了所有其他基團(tuán)的電導(dǎo)率，其幅度取決于水凝膠的結(jié)構(gòu)以及結(jié)合AgNP的技術(shù)。另外，微凝膠的形態(tài)和大小也可能影響粒狀水凝膠的電導(dǎo)率。與物理上預(yù)先嵌入的AgNPs相比，原位合成的AgNPs還具有通過自發(fā)的金屬-酚醛網(wǎng)絡(luò)通過膽甾醇部分對(duì)AgNPs進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定的作用?？偠灾⒛z組件提高了電導(dǎo)率，并且原位金屬還原與膽甾醇氧化結(jié)合可實(shí)現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定的連續(xù)電流，從而實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率。

圖5 導(dǎo)電水凝膠的3D打印

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，導(dǎo)電顆粒水凝膠的可注射性對(duì)于導(dǎo)電圖案的3D打印以及生物組織的直接電生理橋接是有利的。基于擠出3D打印，在HA膜上印刷了兩層晶格。并將打印的晶格輕松轉(zhuǎn)移到豬心肌組織上，證明了其導(dǎo)電圖案和對(duì)可植入/可穿戴設(shè)備的潛在應(yīng)用。

圖6 導(dǎo)電組織與粒狀水凝膠的橋接

導(dǎo)電微凝膠通過橋接兩個(gè)分離的肌肉組織來恢復(fù)導(dǎo)電。這是一種設(shè)計(jì)可注射的軟導(dǎo)電材料的新技術(shù)，并且是在眾多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中提高電導(dǎo)率的有前途的方法。