中山大学付俊教授：墨水设计新思路-微凝胶墨水直接3D打印

来源： EngineeringForLife

生物3D打印技术在复杂结构和多细胞组织器官构筑方面具有不可替代的优势。打印墨水日益成为制约3D打印组织工程领域发展的瓶颈，其可打印性和物化性能，对细胞行为和命运的调控是构筑组织器官，实现再生的关键。水凝胶是含大量水的三维交联网络材料，具有类细胞外基质的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝胶材料存在凝胶-溶胶转变慢、支撑强度弱等问题，打印精度和结构稳定性有待改善。光交联、增稠剂或支持浴等策略可部分地解决这些难题，但增加了打印工艺的复杂程度，增大了生物毒性等风险。解决水凝胶材料可打印性与结构稳定性之间的矛盾，实现温和条件下的快速打印，构筑高精度仿生组织工程支架，是生物3D打印领域亟待解决的关键科学问题。

近期，中山大学材料与工程学院付俊教授团队发明了新型微凝胶生物墨水，该墨水可通过氢键组装为宏观水凝胶(bulk hydrogel)，具有典型的触变性能、快速自愈合性能和一定的机械强度，可在常温条件下直接打印构筑复杂组织工程支架。相关论文“Direct 3D Printed Biomimetic Scaffolds Based onHydrogel Microparticles for Cell Spheroid Growth”为题，已发表于Advanced Functional Materials，博士生张华为第一作者，付俊教授为通讯作者。

如图1，生物墨水主要成分为甲基丙烯酸酯化壳聚糖(CHMA)和聚乙烯醇(PVA)。制备过程分成两步：1）用0.1％w/v的光引发剂Irgacure 1173制备CHMA溶液和PVA溶液；在90°C磁力搅拌下，以1：1的重量比将PVA和CHMA溶液混合10分钟，制备CHMA/PVA溶液，离心除泡，在室温下紫外光（10mWcm-2，365 nm）交联2分钟；利用反复冻融增强化学交联凝胶，化学交联的CHMA与PVA形成氢键。2）将CHMA/PVA水凝胶重复挤出喷嘴研磨成200微米左右的微凝胶，离心去除气泡以后形成微凝胶生物墨水。

图1 基于甲基丙烯酰化壳聚糖(CHMA)/聚乙烯醇(PVA)的微凝胶墨水制备及打印示意图

该墨水能直接3D打印的关键在于微凝胶之间存在广泛的氢键作用。在微凝胶中，PVA-PVA，PVA-CHMA中的羟基与羟基，羟基与氨基等官能团间具有强的成氢键能力，使得微凝胶组装成宏观凝胶。在剪切作用下，微凝胶墨水发生屈服和凝胶-溶胶转变（图2b），应力撤消后，又可快速自愈合恢复（图2c）。可逆的氢键作用赋予CHMA/PVA微凝胶墨水具有可控的剪切变稀（图3a）、屈服强度（图3b）和抗蠕变性能（图3c）。该墨水的流变行为符合Herschel-Bulkley流体特征（图3d）。因此，无需添加增粘剂、支撑骨架和后交联处理，利用该墨水即可一步实现类血管、人耳、股骨等多种大长径比的仿生结构自支撑挤出打印（图4）。

图2 微凝胶墨水的(a)粒径与形态，(b)剪切屈服，(c) 快速凝胶-溶胶转变与自愈合

图3 流变表征微凝胶墨水的屈服流动行为：(a)剪切速率扫描粘度变化，(b)剪切应力扫描的屈服应力， (c)蠕变与恢复，(d) Herschel-Bulkley流动分析

图4 pcHμP生物墨水打印的复杂仿生结构

此外，体外细胞实验结果表明该墨水体系具有优异的生物相容性并有利于细胞成球（图5）。这是由于壳聚糖的氨基数量影响细胞接触性能，另外，PVA用作抗粘基质，亲水链可能在接种后不久促进细胞簇的形成。壳聚糖/ PVA复合膜由于壳聚糖的钙结合能力而可能影响钙离子信号，从而调节MSC融合成球状体并有助于维持干性标记基因（Oct4，Sox2和Nanog）的表达。这为该支架体系在皮肤、软骨等组织工程领域的进一步应用奠定了基础。

图5 CHMA / PVA支架的细胞粘附反应特性

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910573