清华大学：贻贝启发的天然双网络水凝胶及在生物3D打印中的应用

近日，清华大学孙伟教授、弥胜利教授、郭忠伟博士在ACS Biomaterials Science& Engineering发表了一篇关于受贻贝启发的天然双网络水凝胶及在生物3D打印中的应用研究：Mussel-inspired naturallyderived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft,injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels。这是该组第二次报道这种双网络水凝胶，并首次应用在3D打印中。

贻贝为什么能粘在礁石上
贻贝一生中的绝大部分时候，都并不令人神往。这些拥有成对贝壳的软体动物，是“法式青口”的主要材料。它们大半生都粘附在岩石上，通过过滤流经的海水来获取食物。但有些科学家却愿意花费多年时间来研究这些“简单”的生物，仔细观察它们静态的生活方式，探究它们身上最大的秘密：就算周围不断有水流冲击，贻贝也总是能牢牢地贴在湿润的、滑溜溜的岩石上，它们是怎么做到的？

贻贝会通过某种类似于注塑生产的生理过程，制造出像头发一样纤细的足丝。它们强健的足部会生出沟渠，而它们会把液态的蛋白质挤压到沟渠里，只需几秒钟时间，就能形成一条稳固的线状物。每条线状物的端点上都有一个粘性的“软垫”，可以牢牢地吸附在岩石上，或者其他任何贻贝想要贴附的坚硬表面上。

贻贝的足丝

研究者把足丝、粘性软垫和生产它们的腺体里的蛋白质链条破坏，仔细进行观察。在这三种结构里，他都能找到同一种罕见的氨基酸——“左旋多巴”（L-dopa，或称为3,4-二羟苯丙氨酸）。
左旋多巴分子的关键结构，是邻苯二酚侧链，它是由一个苯环和连接在苯环上的两个羟基组成的。而这些羟基会和岩石、船壳以及任何贻贝试图贴附的东西结合在一起。
继韦特的发现之后，其他科学家也陆续发现了许多种不同的贻贝“胶水”。它们都含有左旋多巴。现在这些物质被统称为“贻贝粘着蛋白”（mussel adhesive proteins），简称MAPs。

受贻贝启发的水凝胶
近年来，水凝胶的研究得到了迅速发展。但与一些天然的凝胶类生物组织相比，例如肌肉，软骨，血管等，目前合成的天然高分子水凝胶在机械性能以及可调控的物化性质方面仍然存在不足。生物启发类的设计作为一种更高层次的材料结构及功能设计方法目前得到了越来越多的关注。如上一节所科普的一样，海洋贻贝(Mussel)可以通过足丝粘附在许多有机或无机材料上，这种特殊的生物粘附系统具有很高的硬度、弹性、抵抗损伤和自我修复的功能，研究表明邻苯二酚基团在其中发挥着重要作用，受它启发的仿生水凝胶越来越受到人们的重视。

清华大学孙伟教授课题组首先探究了基于不同化学及物理交联机制的单网络(Single-network)水凝胶, 包括邻苯二酚-铁离子配位交联，邻苯二酚-邻苯二醌共价交联，邻苯二酚-巯基/氨基的共价交联，海藻酸钠-钙离子的离子交联等，并以其为基本构建单元进一步合成具有优异机械性能的双网络(Double-network)水凝胶。

受贻贝启发的水凝胶构建策略

高强度水凝胶结构打印
生物3D打印作为一种新型制造方式有望在组织工程以及再生医学中发挥巨大作用，但如何利用天然水凝胶打印高强度的复杂结构仍然需要更多探究。基于以上对不同单交联网络的性质研究，通过组合不同的交联策略，以适应挤出式3D打印的打印过程。最后合成出了一系列含水量超过95%，打印存活率超过90%，固化后断裂强度大于5 MPa，压缩模量0.7 MPa，断裂伸长率≥400%的双网络生物墨水材料，并成功打印了不同规格的网格，圆环，类人类鼻子，类人类耳朵等结构。研究结果为高强度天然高分子水凝胶的合成提供了研究思路，包括不同交联机制的互补性及可调控性等，也为如何驯服此类水凝胶作为3D打印材料提供了借鉴。

贻贝启发的双网络水凝胶机械性能表征

双网络水凝胶的压缩回弹

3D打印双网络水凝胶

双网络水凝胶的自愈合能力

参考文献
1. Guo, Zhongwei, Jingjing Xia, Shengli Mi, and Wei Sun. "Mussel-inspired naturally derived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft, injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels." ACS Biomaterials Science & Engineering (2020).
2. Guo, Zhongwei, Shengli Mi, and Wei Sun. "The multifaceted nature of catechol chemistry: bioinspired pH-initiated hyaluronic acid hydrogels with tunable cohesive and adhesive properties." Journal of Materials Chemistry B 6, no. 39 (2018): 6234-6244.
3. 贻贝为什么能粘在礁石上？（https://www.guokr.com/article/440331/?_t_t_t=0.07321043964475393）