纳米粘土复合双网络水凝胶及在生物3D打印中的应用

细胞、打印墨水和打印工艺及装备是生物3D打印发展和应用的三个重要因素。其中打印墨水既决定了打印技术的实施，也直接构建了打印结构中的三维微环境，影响着细胞功能性实现及组织形成，是生物3D打印技术成功应用的重中之重。天然水凝胶因其特有与细胞质基质类似的相变结构，具有细胞亲和性、生物学诱导性等特点，因而在生物3D打印中被广泛用作打印墨水。但天然水凝胶的结构成型性和力学性能较差，打印结构难以长时间保持稳定。双网络水凝胶 (Double-network hydrogel)，由于其独特的材料组分及构建机制，如双层网络交联，高机械强度，高应变柔性等，使其不但具有细胞亲和性及基质材料的柔软性，更兼具可比拟人体软骨、皮肤的优良力学性能，因而在生物墨水材料的构建方面具有很大潜力。

近日，一篇名为“3D Printing Unique Nanoclay-IncorporatedDouble-Network Hydrogels for Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds”关于3D打印双网络水凝胶的文章由清华-伯克利深圳学院生物制造科研团队郭钟伟博士在工程技术1区期刊Advanced Healthcare Materials发表。

该研究团队构建了一种新型纳米粘土复合双网络水凝胶（Nanoclay-incorporated double-network (NIDN) hydrogels），纳米粘土由于其特殊的结构和带电属性，在水溶液中会形成类似于纸牌屋“house-of-cards”的结构，该结构通常可以作为生物墨水的内部自愈合支架，用于调节材料的流变性能。本研究中，透明质酸衍生物与海藻酸钠的加入使得纳米粘土的纸牌屋结构先后产生分离与再连接，最终形成一种具有自愈合，自支撑特性的生物墨水。随后利用挤出式生物3D打印机（SunP CPD1/BioMaker，上普公司）制备了具有不同直径的高强度1D纤维结构以及复杂的3D结构。3D打印支架还应用于骨髓间充质干细胞的培养，后续在大鼠颅骨缺损的修复中也取得了良好效果。

技术路线

实验结果
1. NIDN水凝胶体系的制备及其流变学、内部结构的表征

首先，将纳米粘土均匀分散在纯水中，得到均一透明的溶胶体系，随后透明质酸衍生物hama和海藻酸钠alginate的先后加入使得其结构产生分离与再连接，最终形成半透明的类凝胶体系。该体系可直接用于后续的3D打印研究，最终使用的浓度为：nanoclay: 7% w/v, hama: 5%w/v, alginate: 5% w/v。

2. NIDN水凝胶的溶胀性与强度表征

通过以上过程制备的NIDN预成胶体系先后经过紫外光（Wavelength:365 nm, light intensity: 10 mW cm-2, 15 min）以及钙离子（0.5 M Cacl2 solution, 10 min）固化后，分别形成了基于透明质酸衍生物hama的光诱导共价交联网络以及海藻酸钠-钙离子的离子交联网络，最终可得到纳米粘土复合双网络水凝胶, 其在水中的溶胀度很低，同时也具有良好的机械强度。

3. NIDN水凝胶的自愈合、自支撑特性表征

NIDN预成胶体系经注射器挤出后可以维持住本身的形状不坍塌，同时，流变学测试也表明了该体系具有显著的剪切变稀特性，并且在反复高-低（300% strain, 1% strain）应变剪切的情况下，体系仍然可以保持良好的自愈合特征，以上结果意味着该体系具备作为挤出式打印墨水的潜质。

4. NIDN水凝胶的可打印性表征

基于以上对水凝胶流变特性的分析，结合挤出式3D打印技术，作者分别制备了不同直径的高强度1D纤维，以及多种复杂的3D结构，包括类金字塔、类分支血管、类人类鼻子，类人类耳朵等结构，打印结构具有良好的弹性和强度。为了进一步说明该墨水体系的可拓展性，将不同浓度的磁性颗粒混入体系中，由此得到了一系列新型磁响应性墨水材料，具备磁响应性的网格结构以及类海豚结构也被成功的打印。最后为了验证墨水体系的生物相容性以及潜在的骨诱导特性，骨髓间充质干细胞（BMSCs）被种植在支架表面，其良好的细胞存活率、细胞形态以及干细胞分化结果都证明了该墨水体系具有潜在的组织工程应用可能。

5. 3D打印支架修复大鼠颅骨缺损

为了进一步验证NIDN墨水材料的骨诱导特性，非多孔以及多孔（300 μm）的支架材料被用于大鼠颅骨缺损模型中，4周以及8周的micro-CT结果表明两种体系对骨再生都有一定的促进作用，同时，多孔支架的再生效果更为明显。支架材料的可降解性对其组织工程应用有着重要意义，Van Gieson染色结果证明了随着骨愈合的进行，NIDN墨水材料发生了一定的降解，同时诱导了骨缺损部位的组织再生过程。

结论
本文报道了一种新型高强度纳米粘土复合双网络水凝胶，其具有良好的结构成型性，可打印性以及骨诱导特性。该体系由三种类型的交联网络构成：纳米粘土介导的物理交联网络，透明质酸衍生物的光诱导共价交联网络以及海藻酸钠-钙离子的离子交联网络。其内部的相互作用机理通过不同的测试手段，如流变学、SEM、紫外-可见光光谱、红外光谱以及zeta电位等进行了详细的分析。最后，该墨水体系在大鼠颅骨缺损模型的骨再生修复中显示出了良好的效果。这项研究提供了一种新型的生物材料墨水，为精准治疗组织缺损和定制个性化组织工程支架提供了机会。同时，它也为双网络水凝胶的设计和生物3D打印提供了一定的科学和应用基础。

参考文献
Zhongwei Guo, Lina Dong, Jingjing Xia, Shengli Mi,and Wei Sun*. 3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogelsfor Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds. Advanced HealthcareMaterials. 2021, 2100036.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202100036