江南大学陈敬华团队：可用于4D打印的结构动态响应明胶基水凝胶

来源： EngineeringForLife

近年来，具有形状记忆效应的3D可打印水凝胶成为了可用于4D打印的新型材料。形状记忆效应使材料具有特定的临时形状和形变后逐渐恢复原状的特点，这使得4D打印材料被赋予了动态功能，可以控制一些结构的动态响应。然而，大多数基于形状记忆的4D打印水凝胶是由合成的有机聚合物制备的，通常生物相容性较差。而另一方面，由天然聚合物制成的水凝胶，如胶原蛋白、明胶或透明质酸，又往往缺乏良好的机械强度。因此具有形状记忆效应的可打印水凝胶如何更广泛地用于生物医学领域，在学界仍是具有挑战性的研究课题。

近期，江南大学陈敬华团队在Biomacromolecules 上发表题为：Structurally Dynamic Gelatin-Based Hydrogels with Self-Healing, Shape Memory, and Cytocompatible Properties for 4D Printing的研究论文，通过在明胶基水凝胶中嵌入超支化交联剂HPASi，使得水凝胶的生物相容性和机械强度都得到了增强。明胶基水凝胶以明胶和聚乙二醇为原料，通过动态共价亚胺/Diels−Alder反应和超分子氢键网络结构连接。通过进一步与含有多种超分子氢键的超支化三乙氧基硅烷试剂（HPASi）进行二次交联，水凝胶的自愈性和形状记忆效应都得到了增强。研究人员利用EFL品牌的挤出式生物3D打印机（BP6601）打印了具有动态响应的4D结构。该水凝胶具有良好的机械强度和3D打印性能，同时也具有良好的细胞相容性。这些优异性能使本研究中的形状记忆水凝胶在生物医学、传感器和新型柔软机器人等广泛领域都具有巨大的应用潜力。

图1 水凝胶制备工艺示意图

图2  (a)不含HPASi的水凝胶的形状记忆效果；4D特性(b)关闭灯泡，(c)花瓣闭合，(d)承受5g重量

图3  (a)3D打印过程和(b)3D打印网格结构

图4 不同条件下打印的网格的形状记忆效果：(a) HPASi浓度为5.0 mM，25°C下的4×4网格；(b)温度调整为65°C；(c)浓度调整为3.75 mM；(d)网格尺寸调整为6×6

文章来源：
https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00924