清華大學(xué)：貽貝啟發(fā)的天然雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠及在生物3D打印中的應(yīng)用

近日，清華大學(xué)孫偉教授、彌勝利教授、郭忠偉博士在ACS Biomaterials Science& Engineering發(fā)表了一篇關(guān)于受貽貝啟發(fā)的天然雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠及在生物3D打印中的應(yīng)用研究：Mussel-inspired naturallyderived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft,injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels。這是該組第二次報(bào)道這種雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并首次應(yīng)用在3D打印中。

貽貝為什么能粘在礁石上
貽貝一生中的絕大部分時(shí)候，都并不令人神往。這些擁有成對(duì)貝殼的軟體動(dòng)物，是“法式青口”的主要材料。它們大半生都粘附在巖石上，通過(guò)過(guò)濾流經(jīng)的海水來(lái)獲取食物。但有些科學(xué)家卻愿意花費(fèi)多年時(shí)間來(lái)研究這些“簡(jiǎn)單”的生物，仔細(xì)觀察它們靜態(tài)的生活方式，探究它們身上最大的秘密：就算周圍不斷有水流沖擊，貽貝也總是能牢牢地貼在濕潤(rùn)的、滑溜溜的巖石上，它們是怎么做到的？

貽貝會(huì)通過(guò)某種類似于注塑生產(chǎn)的生理過(guò)程，制造出像頭發(fā)一樣纖細(xì)的足絲。它們強(qiáng)健的足部會(huì)生出溝渠，而它們會(huì)把液態(tài)的蛋白質(zhì)擠壓到溝渠里，只需幾秒鐘時(shí)間，就能形成一條穩(wěn)固的線狀物。每條線狀物的端點(diǎn)上都有一個(gè)粘性的“軟墊”，可以牢牢地吸附在巖石上，或者其他任何貽貝想要貼附的堅(jiān)硬表面上。

貽貝的足絲

研究者把足絲、粘性軟墊和生產(chǎn)它們的腺體里的蛋白質(zhì)鏈條破壞，仔細(xì)進(jìn)行觀察。在這三種結(jié)構(gòu)里，他都能找到同一種罕見(jiàn)的氨基酸——“左旋多巴”（L-dopa，或稱為3,4-二羥苯丙氨酸）。
左旋多巴分子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是鄰苯二酚側(cè)鏈，它是由一個(gè)苯環(huán)和連接在苯環(huán)上的兩個(gè)羥基組成的。而這些羥基會(huì)和巖石、船殼以及任何貽貝試圖貼附的東西結(jié)合在一起。
繼韋特的發(fā)現(xiàn)之后，其他科學(xué)家也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多種不同的貽貝“膠水”。它們都含有左旋多巴。現(xiàn)在這些物質(zhì)被統(tǒng)稱為“貽貝粘著蛋白”（mussel adhesive proteins），簡(jiǎn)稱MAPs。

受貽貝啟發(fā)的水凝膠
近年來(lái)，水凝膠的研究得到了迅速發(fā)展。但與一些天然的凝膠類生物組織相比，例如肌肉，軟骨，血管等，目前合成的天然高分子水凝膠在機(jī)械性能以及可調(diào)控的物化性質(zhì)方面仍然存在不足。生物啟發(fā)類的設(shè)計(jì)作為一種更高層次的材料結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)方法目前得到了越來(lái)越多的關(guān)注。如上一節(jié)所科普的一樣，海洋貽貝(Mussel)可以通過(guò)足絲粘附在許多有機(jī)或無(wú)機(jī)材料上，這種特殊的生物粘附系統(tǒng)具有很高的硬度、彈性、抵抗損傷和自我修復(fù)的功能，研究表明鄰苯二酚基團(tuán)在其中發(fā)揮著重要作用，受它啟發(fā)的仿生水凝膠越來(lái)越受到人們的重視。

清華大學(xué)孫偉教授課題組首先探究了基于不同化學(xué)及物理交聯(lián)機(jī)制的單網(wǎng)絡(luò)(Single-network)水凝膠, 包括鄰苯二酚-鐵離子配位交聯(lián)，鄰苯二酚-鄰苯二醌共價(jià)交聯(lián)，鄰苯二酚-巰基/氨基的共價(jià)交聯(lián)，海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)等，并以其為基本構(gòu)建單元進(jìn)一步合成具有優(yōu)異機(jī)械性能的雙網(wǎng)絡(luò)(Double-network)水凝膠。

受貽貝啟發(fā)的水凝膠構(gòu)建策略

高強(qiáng)度水凝膠結(jié)構(gòu)打印
生物3D打印作為一種新型制造方式有望在組織工程以及再生醫(yī)學(xué)中發(fā)揮巨大作用，但如何利用天然水凝膠打印高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然需要更多探究�；�于以上對(duì)不同單交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)研究，通過(guò)組合不同的交聯(lián)策略，以適應(yīng)擠出式3D打印的打印過(guò)程。最后合成出了一系列含水量超過(guò)95%，打印存活率超過(guò)90%，固化后斷裂強(qiáng)度大于5 MPa，壓縮模量0.7 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥400%的雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水材料，并成功打印了不同規(guī)格的網(wǎng)格，圓環(huán)，類人類鼻子，類人類耳朵等結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果為高強(qiáng)度天然高分子水凝膠的合成提供了研究思路，包括不同交聯(lián)機(jī)制的互補(bǔ)性及可調(diào)控性等，也為如何馴服此類水凝膠作為3D打印材料提供了借鑒。

貽貝啟發(fā)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠機(jī)械性能表征

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的壓縮回彈

3D打印雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的自愈合能力

參考文獻(xiàn)
1. Guo, Zhongwei, Jingjing Xia, Shengli Mi, and Wei Sun. "Mussel-inspired naturally derived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft, injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels." ACS Biomaterials Science & Engineering (2020).
2. Guo, Zhongwei, Shengli Mi, and Wei Sun. "The multifaceted nature of catechol chemistry: bioinspired pH-initiated hyaluronic acid hydrogels with tunable cohesive and adhesive properties." Journal of Materials Chemistry B 6, no. 39 (2018): 6234-6244.
3. 貽貝為什么能粘在礁石上？（https://www.guokr.com/article/440331/?_t_t_t=0.07321043964475393）