中山大學(xué)付俊教授：墨水設(shè)計(jì)新思路-微凝膠墨水直接3D打印

來源： EngineeringForLife

生物3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多細(xì)胞組織器官構(gòu)筑方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。打印墨水日益成為制約3D打印組織工程領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，其可打印性和物化性能，對(duì)細(xì)胞行為和命運(yùn)的調(diào)控是構(gòu)筑組織器官，實(shí)現(xiàn)再生的關(guān)鍵。水凝膠是含大量水的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)材料，具有類細(xì)胞外基質(zhì)的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝膠材料存在凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變慢、支撐強(qiáng)度弱等問題，打印精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待改善。光交聯(lián)、增稠劑或支持浴等策略可部分地解決這些難題，但增加了打印工藝的復(fù)雜程度，增大了生物毒性等風(fēng)險(xiǎn)。解決水凝膠材料可打印性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)溫和條件下的快速打印，構(gòu)筑高精度仿生組織工程支架，是生物3D打印領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

近期，中山大學(xué)材料與工程學(xué)院付俊教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了新型微凝膠生物墨水，該墨水可通過氫鍵組裝為宏觀水凝膠(bulk hydrogel)，具有典型的觸變性能、快速自愈合性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可在常溫條件下直接打印構(gòu)筑復(fù)雜組織工程支架。相關(guān)論文“Direct 3D Printed Biomimetic Scaffolds Based onHydrogel Microparticles for Cell Spheroid Growth”為題，已發(fā)表于Advanced Functional Materials，博士生張華為第一作者，付俊教授為通訊作者。

如圖1，生物墨水主要成分為甲基丙烯酸酯化殼聚糖(CHMA)和聚乙烯醇(PVA)。制備過程分成兩步：1）用0.1％w/v的光引發(fā)劑Irgacure 1173制備CHMA溶液和PVA溶液；在90°C磁力攪拌下，以1：1的重量比將PVA和CHMA溶液混合10分鐘，制備CHMA/PVA溶液，離心除泡，在室溫下紫外光（10mWcm-2，365 nm）交聯(lián)2分鐘；利用反復(fù)凍融增強(qiáng)化學(xué)交聯(lián)凝膠，化學(xué)交聯(lián)的CHMA與PVA形成氫鍵。2）將CHMA/PVA水凝膠重復(fù)擠出噴嘴研磨成200微米左右的微凝膠，離心去除氣泡以后形成微凝膠生物墨水。

圖1 基于甲基丙烯?；瘹ぞ厶?CHMA)/聚乙烯醇(PVA)的微凝膠墨水制備及打印示意圖

該墨水能直接3D打印的關(guān)鍵在于微凝膠之間存在廣泛的氫鍵作用。在微凝膠中，PVA-PVA，PVA-CHMA中的羥基與羥基，羥基與氨基等官能團(tuán)間具有強(qiáng)的成氫鍵能力，使得微凝膠組裝成宏觀凝膠。在剪切作用下，微凝膠墨水發(fā)生屈服和凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變（圖2b），應(yīng)力撤消后，又可快速自愈合恢復(fù)（圖2c）?？赡娴臍滏I作用賦予CHMA/PVA微凝膠墨水具有可控的剪切變?。▓D3a）、屈服強(qiáng)度（圖3b）和抗蠕變性能（圖3c）。該墨水的流變行為符合Herschel-Bulkley流體特征（圖3d）。因此，無需添加增粘劑、支撐骨架和后交聯(lián)處理，利用該墨水即可一步實(shí)現(xiàn)類血管、人耳、股骨等多種大長(zhǎng)徑比的仿生結(jié)構(gòu)自支撐擠出打?。▓D4）。

圖2 微凝膠墨水的(a)粒徑與形態(tài)，(b)剪切屈服，(c) 快速凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變與自愈合

圖3 流變表征微凝膠墨水的屈服流動(dòng)行為：(a)剪切速率掃描粘度變化，(b)剪切應(yīng)力掃描的屈服應(yīng)力， (c)蠕變與恢復(fù)，(d) Herschel-Bulkley流動(dòng)分析

圖4 pcHμP生物墨水打印的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)

此外，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該墨水體系具有優(yōu)異的生物相容性并有利于細(xì)胞成球（圖5）。這是由于殼聚糖的氨基數(shù)量影響細(xì)胞接觸性能，另外，PVA用作抗粘基質(zhì)，親水鏈可能在接種后不久促進(jìn)細(xì)胞簇的形成。殼聚糖/ PVA復(fù)合膜由于殼聚糖的鈣結(jié)合能力而可能影響鈣離子信號(hào)，從而調(diào)節(jié)MSC融合成球狀體并有助于維持干性標(biāo)記基因（Oct4，Sox2和Nanog）的表達(dá)。這為該支架體系在皮膚、軟骨等組織工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖5 CHMA / PVA支架的細(xì)胞粘附反應(yīng)特性

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910573