德国维尔茨堡大学：熔融近场直写打印化学交联水凝胶

来源：EngineeringForLife

熔融近场直写(MEW)是一种制造(亚)微米级的纤维和复杂结构的增材制造技术。在打印过程中，由于流速低和持续高温等因素，导致大部分聚合物材料降解。到目前为止，大部分采用MEW加工的材料都是线性的、疏水性的和非交联的聚合物，其中最常见的是聚己内酯(PCL)。而水凝胶材料从未在熔融近场直写中使用过。是否可以设计一种亲水性聚合物材料应用于MEW，打印时，高温条件下保持液态，冷却过程中射流会自发交联呢？

近期，德国维尔茨堡大学化学与药剂学及巴伐利亚高分子研究所的Daniel Nahm团队，在Materials Horizons杂志上发表了“A versatile biomaterial ink platform for the melt electrowriting of chemically-crosslinked hydrogels”文章。报道了一种基于PEtOzi的新型材料体系，该体系可与MEW兼容，用于制备功能化的化学交联水凝胶。

在本研究中，研究者为熔融近场直写（MEW）设计了一种基于亲水聚2-乙基-2-恶嗪(PEtOzi)的新型生物墨水体系。该材料经动态阿尔德（DA）化学反应后自发交联，打印的微观结构会在水中迅速溶胀。虽然这些水凝胶的含水量高达84%，但其强度非常高，经过注射器反复吸取和排出测试，不会造成结构损伤。此外，该支架保留了化学反应的官能团，因此可以很容易地功能化。

PEtOzi的自发交联原理是基于呋喃和马来酰亚胺的热可逆DA化学键(图1)。DA反应的[4+2]环加成反应的特点是二烯烃和二烯之间的平衡，以及它们的双环加合物之间的平衡。研究者认为PEtOzi是一种合适的亲水聚合物，因为与更常用的聚(2-乙基-2-恶唑啉)(PEtOx)相比，它的玻璃化转变温度更低。这使得MEW打印温度更低，以减少打印过程中因高温引起的附加反应。这两个预聚体是通过聚合物类似物改性合成 (图1A)。简单地说，PEtOzi的活性阳离子开环聚合，然后在酸性条件下部分水解，得到随机聚(2-乙基-2-恶嗪-丙烯亚胺)共聚物。随后，呋喃和马来酰亚胺基团与生成生物材料墨水的仲胺进行了定量耦合。离开喷嘴后 ，射流迅速冷却到室温，支架可以持久维持形状，平衡转移到双环加合物的一侧，形成水凝胶所需的化学交联(图1B)。

图1 材料合成与近场直写原理

如图2所示，打印的水凝胶支架，在1小时内保持不溶。当用去离子水水化时，1分钟不到就出现了溶胀现象，支架的总面积从4cm2增加到9cm2。结构没有变形，纤维没有分层，因为在纤维沉积的过程中，利用动态DA反应，在纤维的连接处产生了化学交联，极大了改善了打印结构中的层间粘附。在水合作用下，支架的孔径从500±20μm增加至690±40μm (图2C和D)，并且在去离子水和PBS溶液中保持稳定。ESEM图像表明纤维的表面形态都是光滑的、均匀的（图2E-G）。溶胀后，纤维的丝径随着整个支架面积的增加而增加,当干燥环境时,支架按照原始大小收缩,并保持光滑和弹性（图2H）。由于PEtOzi有热响应特性，使得支架也具有刺激响应性。当温度超过生理温度时，支架面积从9cm2缩小到4.8cm2(图2I和J)。溶胀和去溶胀过程可在几秒钟内完成，并且是完全可逆的。由于聚(2-恶唑啉)(POx)和POzi的临界溶解温度较低，并且可调，未来可根据应用需求定制支架。

图2 打印多层支架的表征

众所周知，细胞对其微环境的机械信号有强烈的反应。通过将赫兹模型与力-距离曲线拟合,计算出杨氏模量与水凝胶相似，但低于PCL。虽然支架的材料是软水凝胶，但由于化学交联和纤维融合，它们非常坚固。双层支架(图3B)可以通过金属针头吸取到注射器中，然后将支架注射到含水介质中没有出现明显的结构损伤(图3B-E)。这些特性对于微结构的水凝胶植入眼和心脏的应用来说是非常理想的。对于在生物医学中应用，生物相容性是必要的。虽然目前的方法和材料不能用于载细胞打印，但是细胞可以直接种植在支架上。之前已经证实PEtOzi具有较低的细胞毒性。研究者对PEtOzi生物墨水进行了细胞实验，培养48小时后细胞存活率≥86 3%，表明生物医学应用的安全性。此外，与直径较大的扁平基质或支架相比，这种直径更小的纤维更有利于细胞粘附和增殖（图3F-L）。

图3 支架的坚韧性测试和细胞实验

综上所述，研究者建立了一个基于PEtOzi的水凝胶体系，用于制作软而强度高的三维微结构。结合DA交联技术与MEW工艺，制造化学交联水凝胶。所制造的结构具有高的含水量和弹性，并且很容易改性。这项工作为生物医学和其他领域的应用奠定了基础。


论文链接：
https://doi.org/10.1039/c9mh01654f