用于3D打印和电活性组织支持的可注射导电颗粒水凝胶

来源： EngineeringForLife

导电水凝胶对模拟生物组织的电生理环境和治疗应用具有吸引力。可注射和导电的水凝胶特别适用于3D打印或直接注射到组织中。然而，目前为水凝胶增加电导率的方法不足，导致不良的胶凝，脆性或不足的电导率。通过在制造过程中混合导电和非导电微凝胶，可以轻松地改变颗粒状水凝胶的电导率，并且可以将其应用于晶格的3D打印并弥补肌肉缺陷。这种导电颗粒水凝胶的多功能性将允许在需要导电材料的众多应用中使用。

近期，宾夕法尼亚大学生物工程系J. A. Burdick教授团队在Advanced Science杂志上发表了题为Injectable and Conductive Granular Hydrogels for 3D Printing and Electroactive Tissue Support的文章，开发了一种利用微凝胶的堵塞来形成可注射的颗粒状水凝胶，由于在这种独特设计中在高表面积的堵塞界面处存在金属纳米粒子，因此与类似处理的非粒子（即本体）水凝胶或不含金属纳米粒子或不包含封装纳米粒子的粒状水凝胶相比，粒状水凝胶具有更高的电导率。

图1 受植物来源的没食子启发并用于生物医学应用的导电颗粒水凝胶的整体示意图

将透明质酸（HA）加工成水凝胶微粒（即微凝胶）并将它们组装成包括金属-酚配位的固体颗粒，在可注射和导电水凝胶的开发中引入一个新概念。通过加入没食子酚部分引入原位金属还原，这是普遍存在于多种植物，水果，蔬菜和坚果中的多酚。当与没食子醇的这种氧化结合时，金属离子（例如，M +）被还原以产生金属纳米颗粒（例如，M0）。此外，胆甾醇可充当螯合剂以与金属纳米颗粒形成配位网络。与嵌入技术相比，由导电材料的前体就地合成导电材料是一种有吸引力的方法，可以提高电导率和机械性能。此外，粒状水凝胶的固有可注射性，允许制造3D打印的电活性图案（例如，可穿戴和灵活的电子设备）以及生物组织（例如，心肌，骨骼肌）的电生理支持。

图2 导电颗粒水凝胶的制备及其表征

制备HA微凝胶，然后进行原位金属还原以提供导电性。通过产生MeHA或MeHA-Ga的油包水小滴，用紫外线进行光交联并从油洗去，在微流体通道中制备直径约90 μm的微凝胶。微凝胶中的没食子醇部分促进原位银还原，从而引入银纳米颗粒（AgNPs），略微增加了微凝胶的大小，并且通过改变425 nm处的微凝胶的颜色和吸光度而可视化，证明了量子等离子体激元共振AgNPs。

图3 不使用或使用AgNPs的粒状水凝胶的流变性

将微凝胶塞入固体材料（即颗粒状水凝胶）中，分析了水凝胶的流变性。银还原过程将颗粒状水凝胶的储能模量G'有所提高。颗粒状水凝胶具有剪切稀化和自修复性。此外，具有AgNPs的颗粒状水凝胶具有较高的应变和较低的粘度。

图4 颗粒水凝胶的电导率

由于原位合成的AgNPs的表面积较大，因此可以提高颗粒状水凝胶的电导率，从而实现连续的电流流动。在不存在AgNPs的微凝胶中观察到有限的电导率，并且AgNPs的添加改善了所有其他基团的电导率，其幅度取决于水凝胶的结构以及结合AgNP的技术。另外，微凝胶的形态和大小也可能影响粒状水凝胶的电导率。与物理上预先嵌入的AgNPs相比，原位合成的AgNPs还具有通过自发的金属-酚醛网络通过胆甾醇部分对AgNPs进行化学稳定的作用。总而言之，微凝胶组件提高了电导率，并且原位金属还原与胆甾醇氧化结合可实现化学稳定的连续电流，从而实现高电导率。

图5 导电水凝胶的3D打印

对于生物医学应用，导电颗粒水凝胶的可注射性对于导电图案的3D打印以及生物组织的直接电生理桥接是有利的。基于挤出3D打印，在HA膜上印刷了两层晶格。并将打印的晶格轻松转移到猪心肌组织上，证明了其导电图案和对可植入/可穿戴设备的潜在应用。

图6 导电组织与粒状水凝胶的桥接

导电微凝胶通过桥接两个分离的肌肉组织来恢复导电。这是一种设计可注射的软导电材料的新技术，并且是在众多生物医学应用中提高电导率的有前途的方法。