澳门大学/剑桥大学: 通过悬浮 3D 打印中的墨水-悬浮支撑浴匹配实现水凝胶的成型

来源： 高分子科学前沿

当前，在生物制造领域，悬浮3D打印技术可将柔软和非自支撑类型的水凝胶材料作为墨水实现3D打印并构建成型，被广泛应用于在组织工程和柔性器件制备等方向。在悬浮3D打印的场景中，水凝胶墨水和悬浮支撑浴之间的相互匹配是基础。然而，当前尚未有针对不同类型墨水匹配支撑浴的通用法则；有限的墨水支撑浴材料搭配，为悬浮3D打印技术的推广和应用带来了挑战。近日，来自澳门大学李奕雯教授和剑桥大学Yan Yan Shery Huang教授的科研团队评估了不同类别的水凝胶墨水（包含pH响应墨水，光交联墨水，热敏交联墨水，化学交联墨水，阳离子和阴离子墨水）在各种代表性悬浮支撑浴（即明胶浆液，琼脂糖流体凝胶，卡波普凝胶和其他油相混合物等）中的成型性。该研究评估了不同水凝胶墨水和支撑浴之间的界面稳定性，并通过分析造成界面不稳定的影响因素（包括扩散驱动效应或电荷驱动效应），提出了一个简洁通用的凝胶墨水-支撑浴匹配法则，用于减少试错成本，并提高悬浮3D打印中水凝胶墨水的成型性。这项研究成果有助于扩展可用水凝胶材料的范围，辅助构建更多样的水凝胶结构和更复杂的功能。相关工作以“Soft hydrogel shapeability via supportive bath matching in embedded 3D printing”为题，发表于Advanced Materials Technologies期刊上。该论文第一作者是澳门大学的李奕雯助理教授和剑桥大学的张舵博士，澳门大学李奕雯助理教授和剑桥大学Yan Yan Shery Huang教授为该论文共同通讯作者。澳门大学李奕雯助理教授课题组诚招水凝胶及增材制造等领域的博士后及博士研究生 (2024年1月入学) - 详情请看最后内容。

在水凝胶悬浮3D打印中，虽然支撑浴的流变特性至关重要，但打印结构的最终形状取决于水凝胶墨水的交联动力学，以及水凝胶墨水与支撑浴界面的物理和化学相互作用。各种力（例如重力、浓度梯度、离子相互作用和界面张力）将会随着时间的推移使打印结构的形状产生渐变，直到物体完全交联。水凝胶墨水和支撑浴各自的理化特征极大地增加了悬浮打印的难度和复杂性。事实上，当前对悬浮打印的研究，仍主要局限于几种支撑浴系统（明胶浆液，卡波普微凝胶和琼脂糖流体）和超分子水凝胶墨水（如蛋白质和多糖等）。然而，水凝胶材料的种类广泛，从具有不同离子电荷和响应行为的小分子单体（几十道尔顿）到超分子聚合物（几百万道尔顿），在支撑浴中具有不同的运动和扩散特性。此外，悬浮支撑浴自身的局限性（例如在凝胶墨水交联期间的不稳定，对凝胶墨水交联速率的改变，以及未交联的水凝胶墨水的扩散），进一步限制了该方法的通用性。因此，研究团队从悬浮打印界面中的扩散驱动效应和电荷驱动效应两方面出发，探索悬浮支撑浴中不同类型凝胶墨水的“可成型性”，对现有悬浮3D打印技术提出相应的改进策略。

图一: 悬浮3D打印水凝胶墨水的可打印性及成型性的影响因素

图二: 本文提出的凝胶墨水-支撑浴匹配法则

化学交联凝胶墨水

通过湿化学交联（例如自由基聚合）从单体合成的水凝胶可以通过交联组分的调整来改进凝胶自身特性（如机械强度），例如: 聚丙烯酰胺（PAAm），它被广泛应用于生物医学领域。PAAm通常由丙烯酰胺单体通过自由基乙烯基聚合，借助N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（bis-AAm）作为交联剂，过硫酸铵（APS）作为氧化剂和四亚甲基二胺（TEMED）作为催化剂。使用上述配方作为墨水，其中最小分子量成分为~70 Da，该研究发现没有一种主流的水性载体浴（明胶，卡波普和琼脂糖流体凝胶）能够将丙烯酰胺墨水交联成型。较差的交联性与低分子墨水在水性介质中的快速扩散有关，研究建议使用油相混合物支撑浴进行悬浮打印，以克服小分子墨水的扩散问题。

光交联凝胶墨水

通过光交联固化水凝胶是当前热门的3D打印方法。由于光引发剂的分子尺寸小，通常具有较快的扩散速率。目前，在悬浮打印中，对于光引发剂的不同存在方式如何影响交联效率，目前还没有明确的共识。该研究结果表明，为实现光照交联时间的最小化，凝胶墨水和支撑浴中需要同时具备达平衡量的光引发剂；若需减少光引发剂的含量，在支撑浴中添加引发剂的系统比在凝胶墨水中添加引发剂的系统具备更好的交联效率。

蛋白质凝胶墨水

基于蛋白质的生物墨水，如胶原蛋白，通常在生理温度下通过热交联方法进行交联。虽然蛋白质是大尺寸分子，平均分子量超过50 kDa，但由于其交联时间较长，会导致较差的成型性。因此，选择具有热稳定性的悬浮支撑浴是在长交联时间内保持蛋白质基墨水成型的关键。卡波普和琼脂糖流体支撑浴都可以实现胶原蛋白墨水的成功交联。卡波普支撑浴具备热稳定性且酸碱度呈中性，可实现更佳的成型性。

pH响应凝胶墨水

pH响应性水凝胶，如聚丙烯酸（PAA），在pH变化下会不可避免地发生溶胀行为，极大地损害其成型性。传统的支撑浴，如卡波普和明胶浆，由于pH条件不相容，不能在打印过程中抑制溶胀问题。研究建议使用油相支撑浴，例如具有剪切稀化行为和适当流变性的二氧化硅矿物油支撑浴，用于构建pH响应水凝胶。油相介质可抑制水分子的迁移运动，因此水凝胶在其中不会产生溶胀效应。此外，为了降低亲水性油墨和疏水性支撑浴之间的界面张力并减少打印结构的形状改变，可以在支撑浴中补充表面活性剂。

阴离子凝胶墨水

使用对离子浓度敏感的支撑浴打印阴离子水凝胶可损害其成型性。以卡波普支撑浴为例，离子交联剂的加入不但会影响支撑浴的流变特性，而且会促使卡波普由于盐析效应产生沉淀，导致打印失败。与此相对的，琼脂糖流体凝胶和明胶浆液的流变特质对离子强度不敏感，在这两种支撑浴中打印出的结构可以成功地交联固化。

阳离子凝胶墨水

阳离子水凝胶在生物医学中作为一种流行的材料被广泛应用，然而悬浮打印阳离子水凝胶的可行性很少在文献中得到证明。有鉴于此，研究團隊使用帶阳离子的壳聚糖凝胶作为墨水，并使用不同的主流支撑浴打印，研究支撑浴的适配能力。实验结果表明，带阴离子的卡波普支撑浴和壳聚糖墨水会因为相反电荷的静电吸引而产生打印拖拽现象；相比之下明胶浆液与壳聚糖墨水的相容性较好，适合打印阳离子凝胶墨水。

李奕雯研究团队简介
澳门大学机电工程系李奕雯博士（助理教授）具有增材制造技术、高分子材料、水凝胶材料、生物医用工程等跨学科研究背景。2016年在英国伦敦帝国学院 (Imperial College London) 取得本硕连读学位（一等荣誉毕业）。2022年博士毕业于英国剑桥大学，主要从事软材料增材制造、水凝胶材料和柔性仿生模型等研究，期间获得剑桥大学应用研究学会 (Cambridge Society for the Application of Research) 的优秀博士生奖、国际生物制造学会 (International Society for Biofabrication) 的优秀博士生奖、剑桥大学W D Armstrong奖学金等，并入选为2022年全球青年科学家峰会 (Global Young Scientists Summit) 参加者之一。近年主要从事仿生物结构、软物质材料与结构力学设计等研究，在国际知名杂志发表学术论文，包括Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Biofabrication, Acta Biomater. 等国际期刊。本课题组学术氛围浓厚，鼓励不同学术观点的讨论和学术创新，以培养独立科研能力的研究人员及营造高水平的健康学术氛围为目标。课题组的PI具有多年海外经历，与剑桥大学、南方科技大学课题组保持紧密合作关系。