德國維爾茨堡大學(xué)：熔融近場直寫打印化學(xué)交聯(lián)水凝膠

來源：EngineeringForLife

熔融近場直寫(MEW)是一種制造(亞)微米級的纖維和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)。在打印過程中，由于流速低和持續(xù)高溫等因素，導(dǎo)致大部分聚合物材料降解。到目前為止，大部分采用MEW加工的材料都是線性的、疏水性的和非交聯(lián)的聚合物，其中最常見的是聚己內(nèi)酯(PCL)。而水凝膠材料從未在熔融近場直寫中使用過。是否可以設(shè)計一種親水性聚合物材料應(yīng)用于MEW，打印時，高溫條件下保持液態(tài)，冷卻過程中射流會自發(fā)交聯(lián)呢？

近期，德國維爾茨堡大學(xué)化學(xué)與藥劑學(xué)及巴伐利亞高分子研究所的Daniel Nahm團(tuán)隊，在Materials Horizons雜志上發(fā)表了“A versatile biomaterial ink platform for the melt electrowriting of chemically-crosslinked hydrogels”文章。報道了一種基于PEtOzi的新型材料體系，該體系可與MEW兼容，用于制備功能化的化學(xué)交聯(lián)水凝膠。

在本研究中，研究者為熔融近場直寫（MEW）設(shè)計了一種基于親水聚2-乙基-2-惡嗪(PEtOzi)的新型生物墨水體系。該材料經(jīng)動態(tài)阿爾德（DA）化學(xué)反應(yīng)后自發(fā)交聯(lián)，打印的微觀結(jié)構(gòu)會在水中迅速溶脹。雖然這些水凝膠的含水量高達(dá)84%，但其強度非常高，經(jīng)過注射器反復(fù)吸取和排出測試，不會造成結(jié)構(gòu)損傷。此外，該支架保留了化學(xué)反應(yīng)的官能團(tuán)，因此可以很容易地功能化。

PEtOzi的自發(fā)交聯(lián)原理是基于呋喃和馬來酰亞胺的熱可逆DA化學(xué)鍵(圖1)。DA反應(yīng)的[4+2]環(huán)加成反應(yīng)的特點是二烯烴和二烯之間的平衡，以及它們的雙環(huán)加合物之間的平衡。研究者認(rèn)為PEtOzi是一種合適的親水聚合物，因為與更常用的聚(2-乙基-2-惡唑啉)(PEtOx)相比，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度更低。這使得MEW打印溫度更低，以減少打印過程中因高溫引起的附加反應(yīng)。這兩個預(yù)聚體是通過聚合物類似物改性合成 (圖1A)。簡單地說，PEtOzi的活性陽離子開環(huán)聚合，然后在酸性條件下部分水解，得到隨機聚(2-乙基-2-惡嗪-丙烯亞胺)共聚物。隨后，呋喃和馬來酰亞胺基團(tuán)與生成生物材料墨水的仲胺進(jìn)行了定量耦合。離開噴嘴后 ，射流迅速冷卻到室溫，支架可以持久維持形狀，平衡轉(zhuǎn)移到雙環(huán)加合物的一側(cè)，形成水凝膠所需的化學(xué)交聯(lián)(圖1B)。

圖1 材料合成與近場直寫原理

如圖2所示，打印的水凝膠支架，在1小時內(nèi)保持不溶。當(dāng)用去離子水水化時，1分鐘不到就出現(xiàn)了溶脹現(xiàn)象，支架的總面積從4cm2增加到9cm2。結(jié)構(gòu)沒有變形，纖維沒有分層，因為在纖維沉積的過程中，利用動態(tài)DA反應(yīng)，在纖維的連接處產(chǎn)生了化學(xué)交聯(lián)，極大了改善了打印結(jié)構(gòu)中的層間粘附。在水合作用下，支架的孔徑從500±20μm增加至690±40μm (圖2C和D)，并且在去離子水和PBS溶液中保持穩(wěn)定。ESEM圖像表明纖維的表面形態(tài)都是光滑的、均勻的（圖2E-G）。溶脹后，纖維的絲徑隨著整個支架面積的增加而增加,當(dāng)干燥環(huán)境時,支架按照原始大小收縮,并保持光滑和彈性（圖2H）。由于PEtOzi有熱響應(yīng)特性，使得支架也具有刺激響應(yīng)性。當(dāng)溫度超過生理溫度時，支架面積從9cm2縮小到4.8cm2(圖2I和J)。溶脹和去溶脹過程可在幾秒鐘內(nèi)完成，并且是完全可逆的。由于聚(2-惡唑啉)(POx)和POzi的臨界溶解溫度較低，并且可調(diào)，未來可根據(jù)應(yīng)用需求定制支架。

圖2 打印多層支架的表征

眾所周知，細(xì)胞對其微環(huán)境的機械信號有強烈的反應(yīng)。通過將赫茲模型與力-距離曲線擬合,計算出楊氏模量與水凝膠相似，但低于PCL。雖然支架的材料是軟水凝膠，但由于化學(xué)交聯(lián)和纖維融合，它們非常堅固。雙層支架(圖3B)可以通過金屬針頭吸取到注射器中，然后將支架注射到含水介質(zhì)中沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷(圖3B-E)。這些特性對于微結(jié)構(gòu)的水凝膠植入眼和心臟的應(yīng)用來說是非常理想的。對于在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用，生物相容性是必要的。雖然目前的方法和材料不能用于載細(xì)胞打印，但是細(xì)胞可以直接種植在支架上。之前已經(jīng)證實PEtOzi具有較低的細(xì)胞毒性。研究者對PEtOzi生物墨水進(jìn)行了細(xì)胞實驗，培養(yǎng)48小時后細(xì)胞存活率≥86 3%，表明生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的安全性。此外，與直徑較大的扁平基質(zhì)或支架相比，這種直徑更小的纖維更有利于細(xì)胞粘附和增殖（圖3F-L）。

圖3 支架的堅韌性測試和細(xì)胞實驗

綜上所述，研究者建立了一個基于PEtOzi的水凝膠體系，用于制作軟而強度高的三維微結(jié)構(gòu)。結(jié)合DA交聯(lián)技術(shù)與MEW工藝，制造化學(xué)交聯(lián)水凝膠。所制造的結(jié)構(gòu)具有高的含水量和彈性，并且很容易改性。這項工作為生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/c9mh01654f