天津大學(xué)：3D打印高強(qiáng)度抗膨脹水凝膠

供稿人:王清瑞、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

天津大學(xué)提出了一種自增稠自增強(qiáng)策略，在熱可逆低強(qiáng)度水凝膠中加入高濃度單體，直接3D打印高強(qiáng)度水凝膠。其中，低強(qiáng)度水凝膠用于增稠濃縮單體，為3D打印水凝膠提供適當(dāng)?shù)恼扯?，這些水凝膠進(jìn)一步聚合，最終生成高強(qiáng)度和抗膨脹的水凝膠。此外，將自增稠的高強(qiáng)度水凝膠打印到半月板中，作為替代物植入膝關(guān)節(jié)，結(jié)果顯示出其能夠有效緩解軟骨表面的磨損。自增稠策略適用于在不犧牲機(jī)械強(qiáng)度的情況下直接打印各種聚合物水凝膠基組織工程支架，從而避免了印刷高強(qiáng)度水凝膠的問題，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

半月板損傷被認(rèn)為是一種嚴(yán)重的肌肉骨骼疾病，盡管目前的半月板切除術(shù)可以部分緩解疼痛，但關(guān)節(jié)軟骨退行性變甚至骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。因此，設(shè)計(jì)與天然半月板幾何形狀相似、力學(xué)性能高的半月板替代物是維持關(guān)節(jié)健康的重要條件。過去，關(guān)于半月板打印，很少有研究致力于制造高強(qiáng)度和溶脹穩(wěn)定的水凝膠，從而評估其作為半月板替代物在體內(nèi)的應(yīng)用。

水凝膠材料具有剪切變稀和刺激響應(yīng)性，適合通過直寫的工藝制備超分子聚合物組織工程支架，但是它的可打印性和機(jī)械性能往往是不可兼得的，這是因?yàn)榈蜐舛鹊膯误w對氫鍵密度的稀釋作用，具有易打印特性的水凝膠往往會在機(jī)械強(qiáng)度上具有極大犧牲，而在高濃度下獲得的高強(qiáng)度水凝膠不易打印。

為了解決可打印性和高強(qiáng)度之間的矛盾，作者提出了3D印刷人工半月板的自增稠和自增強(qiáng)策略。其核心思想是制備低濃度的低強(qiáng)度的熱可逆水凝膠，將濃縮的單體裝入其中形成油墨，通過熱輔助擠出的3D打印技術(shù)進(jìn)行制備。在打印自支撐支架后，對封裝、濃縮的單體進(jìn)一步聚合，從而抵消增稠劑的低強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)打印流程圖如圖1所示。

圖1 3D打印自增稠自增強(qiáng)PNAGA超分子聚合物的高強(qiáng)度防靜電水凝膠策略示意圖

研究人員首先合成了一系列水溶液體系以確定用于構(gòu)建軟熱可逆水凝膠的合適單體濃度范圍，使用倒置小瓶法研究了25℃和90℃下不同濃度的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變行為。低濃度體系保持液態(tài)，高濃度體系在室溫下開始呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)。因此，選擇濃度范圍為3-4 %的PNAGA凝膠來制備3D打印墨水。

在接下來的實(shí)驗(yàn)中，作者打印了PNAGA水凝膠基半月板支架，該支架植入兔膝關(guān)節(jié)，半月板從后腿完全移除（如圖2a,b所示）。術(shù)后4周，從兔的步態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，陽性組（半月板切除）由于缺乏半月板保護(hù)功能，不能正常行走或跳躍。相反，植入PNAGA半月板置換術(shù)的兔（實(shí)驗(yàn)組）表現(xiàn)正常，陰性組（假手術(shù)）。重新打開組織，印刷PNAGA水凝膠支架仍然位于治療部位，沒有斷裂或擠壓出關(guān)節(jié)。

根據(jù)軟骨保護(hù)的大體觀察，不同組的軟骨退變程度不同（圖2c）。與半月板切除組相比，實(shí)驗(yàn)組的磨損較小，表明植入三維打印PNAGA水凝膠支架可以很好地保護(hù)軟骨損傷。此外，染色實(shí)驗(yàn)（圖2d）表明，3D打印PNAGA水凝膠支架可以在1個月內(nèi)有效地減輕軟骨表面的磨損和退變，從而防止骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

圖2 3D打印半月板植入兔膝

參考文獻(xiàn)：
Ziyang Xu, Chuanchuan Fan, Qian Zhang, Yang Liu, Chunyan Cui, Bo Liu, Tengling Wu, Xiaoping Zhang, and Wenguang Liu. A Self-Thickening and Self-Strengthening Strategy for 3D Printing High-Strength and Antiswelling Supramolecular Polymer Hydrogels as Meniscus Substitutes. Advanced Functional Materials. 2021.