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动态配位化学制备3D打印生物水凝胶



由于水凝胶材料的高含水率以及能够模拟细胞外基质的特性,越来越多的科学家将其作为3D打印“bioink”应用于生物医药领域。可打印水凝胶材料通常需要优异的流动性来避免打印喷头的堵塞,同时也要求其在固化后拥有良好的力学性能来防止所打印结构的塌陷。为了满足以上要求,在3D打印过程中需要在极短的时间内实现墨水的“溶胶-凝胶”原位转变。


目前,主要有两种方法来实现这种转变:第一种是采用“A+B”的化学交联法,该方法需要非常精确地调节3D打印参数来实现原位成胶反应;另一种方法是基于温度变化的物理交联法来实现“溶胶-凝胶”转变,该方法需要严格控制喷头处的温度。


以上两种方法设计出的“bioink”通常需要配备价格昂贵并进行过特殊改装的3D生物打印机。因此,开发新的“bioink”使其能在大部分商业3D打印机中应用,是生物打印领域主要挑战之一。


来自瑞典Uppsala大学的研究者通过动态配位化学设计了一种新的拥有自愈合和剪切稀化特性的水凝胶材料。该水凝胶材料能够使用简单改装后的商业3D打印机进行打印。为了避免打印结构的塌陷,研究者采用自由可逆嵌入技术(Freeform

Reversible Embedding)将墨水打印在凝胶支撑浴(support gel

bath)里。等打印结束后,再将打印结构进行紫外光激发的化学固化。


该打印系统能够打印复杂结构(如管状材料),以及将生物活性配体直接“写”在3D水凝胶的不同位置。为了设计上述水凝胶材料,研究者采用人体内含有的一种生物多糖,透明质酸(HA),作为起始材料,并对HA进行双基团修饰,将二磷酸盐基团

(BP)和丙烯酰胺基团(Am) 同时化学连接在HA主链上,得到HA衍生物, Am-HA-BP。当Ca2+ 离子引进到Am-HA-BP

溶液中,即可形成Am-HA-BP/Ca2+ 水凝胶。


由于该水凝胶由Ca2+离子和HA链上的BP基团形成的动态螯合化学键交联所得,从而该凝胶表现出可触变的力学性能(自愈合和剪切稀化)。这种可触变的力学性能保证了水凝胶能从注射器中被很容易地打印出来,该性能是Am-HA-BP/Ca2+凝胶和通常使用的藻酸盐/Ca2+

生物墨水的最主要区别。


其中,Am集团能够在紫外光激发下形成高力学性能的化学交联网络,保证了打印材料的结构稳定。此外,干细胞能在Am-HA-BP/Ca2+凝胶中存活,并且紫外光的照射并未降低细胞的存活率。



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