清華大學(xué)孫偉教授團(tuán)隊(duì) AHM | 納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在生物3D打印中的應(yīng)用

近日，清華大學(xué)孫偉教授團(tuán)隊(duì)在生物材料領(lǐng)域著名期刊Advanced Healthcare Materials（IF：9.933）發(fā)表了一篇關(guān)于三維打印納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠構(gòu)建復(fù)雜組織工程支架的研究：3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogels for Constructionof Complex Tissue Engineering Scaffolds。清華大學(xué)特聘教授，美國Drexel大學(xué)Albert Soffa終身講席教授孫偉為本文通訊作者，清華大學(xué)博士后郭鐘偉為本文第一作者。

文章簡介
生物3D打印以生物材料和細(xì)胞為基本單元，按仿生形態(tài)學(xué)、細(xì)胞特定微環(huán)境等要求，利用“三維打印”技術(shù)制造個(gè)性化三維生物功能結(jié)構(gòu)體的一種技術(shù)，其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。細(xì)胞、打印墨水和打印工藝及裝備是生物3D打印發(fā)展和應(yīng)用的三個(gè)重要因素。其中打印墨水既決定了打印技術(shù)的實(shí)施，也直接構(gòu)建了打印結(jié)構(gòu)中的三維微環(huán)境，影響著細(xì)胞功能性實(shí)現(xiàn)及組織形成，是生物3D打印技術(shù)成功應(yīng)用的重中之重。天然水凝膠因其特有與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)類似的相變結(jié)構(gòu)，具有細(xì)胞親和性、生物學(xué)誘導(dǎo)性等特點(diǎn)，因而在生物3D打印中被廣泛用作打印墨水。但天然水凝膠的結(jié)構(gòu)成型性和力學(xué)性能較差，打印結(jié)構(gòu)難以長時(shí)間保持穩(wěn)定。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠 (Double-network hydrogel)，由于其獨(dú)特的材料組分選擇及構(gòu)建機(jī)制，如雙層網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，高應(yīng)變?nèi)嵝缘�，使其不但具有�?xì)胞親和性及基質(zhì)材料的柔軟性，更兼具可比擬人體軟骨、皮膚的優(yōu)良力學(xué)性能，因而在生物墨水材料的構(gòu)建方面具有很大潛力。
基于此，清華大學(xué)孫偉教授課題組構(gòu)建了一種特殊的納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Nnoclay-incorporated double-network (NIDN) hydrogels），納米粘土由于其特殊的結(jié)構(gòu)和帶電屬性，在水溶液中會(huì)形成類似于紙牌屋“house-of-cards”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通常可以作為生物墨水的內(nèi)部自愈合支架，用于調(diào)節(jié)材料的流變性能。本研究中，透明質(zhì)酸衍生物與海藻酸鈉的加入使得該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分離與再連接，最終形成一種具有自愈合，自支持特性的生物墨水。隨后利用擠出式生物3D打印機(jī)（上普生物 CPD1/BioMaker）制備了具有不同直徑的高強(qiáng)度1D纖維結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。3D打印支架還應(yīng)用于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的培養(yǎng)，后續(xù)在小鼠顱骨缺損的修復(fù)中也取得了良好效果。

Figure 1  NIDN水凝膠生物墨水構(gòu)建過程中的流變學(xué)變化

Figure 2  NIDN水凝膠的力學(xué)特性及內(nèi)部交聯(lián)機(jī)制分析

Figure 3  基于NIDN水凝膠生物墨水的1D纖維構(gòu)建

Figure 4  基于NIDN水凝膠生物墨水的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)構(gòu)建

Figure 5  3D打印NIDN水凝膠多孔支架用于小鼠顱骨修復(fù)

參考文獻(xiàn)
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