清华大学孙伟教授团队 AHM | 纳米粘土复合双网络水凝胶在生物3D打印中的应用

近日，清华大学孙伟教授团队在生物材料领域著名期刊Advanced Healthcare Materials（IF：9.933）发表了一篇关于三维打印纳米粘土复合双网络水凝胶构建复杂组织工程支架的研究：3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogels for Constructionof Complex Tissue Engineering Scaffolds。清华大学特聘教授，美国Drexel大学Albert Soffa终身讲席教授孙伟为本文通讯作者，清华大学博士后郭钟伟为本文第一作者。

文章简介
生物3D打印以生物材料和细胞为基本单元，按仿生形态学、细胞特定微环境等要求，利用“三维打印”技术制造个性化三维生物功能结构体的一种技术，其作为一种新型制造方式有望在组织工程以及再生医学中发挥巨大作用。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选择及构建机制，如双层网络交联，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。
基于此，清华大学孙伟教授课题组构建了一种特殊的纳米粘土复合双网络水凝胶（Nnoclay-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该结构产生分离与再连接，最终形成一种具有自愈合，自支持特性的生物墨水。随后利用挤出式生物3D打印机（上普生物 CPD1/BioMaker）制备了具有不同直径的高强度1D纤维结构以及复杂3D结构。3D打印支架还应用于骨髓间充质干细胞的培养，后续在小鼠颅骨缺损的修复中也取得了良好效果。

Figure 1  NIDN水凝胶生物墨水构建过程中的流变学变化

Figure 2  NIDN水凝胶的力学特性及内部交联机制分析

Figure 3  基于NIDN水凝胶生物墨水的1D纤维构建

Figure 4  基于NIDN水凝胶生物墨水的复杂3D结构构建

Figure 5  3D打印NIDN水凝胶多孔支架用于小鼠颅骨修复

参考文献
Guo, Z., Dong, L., Xia, J., Mi, S. and Sun, W., 2021. 3D Printing Unique Nanoclay‐Incorporated Double‐Network Hydrogels for Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds. Advanced Healthcare Materials, 10(11), p.2100036.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202100036