納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠及在生物3D打印中的應用

細胞、打印墨水和打印工藝及裝備是生物3D打印發(fā)展和應用的三個重要因素。其中打印墨水既決定了打印技術的實施，也直接構建了打印結構中的三維微環(huán)境，影響著細胞功能性實現(xiàn)及組織形成，是生物3D打印技術成功應用的重中之重。天然水凝膠因其特有與細胞質基質類似的相變結構，具有細胞親和性、生物學誘導性等特點，因而在生物3D打印中被廣泛用作打印墨水。但天然水凝膠的結構成型性和力學性能較差，打印結構難以長時間保持穩(wěn)定。雙網(wǎng)絡水凝膠 (Double-network hydrogel)，由于其獨特的材料組分及構建機制，如雙層網(wǎng)絡交聯(lián)，高機械強度，高應變?nèi)嵝缘�，使其不但具有細胞親和性及基質材料的柔軟性，更兼具可比擬人體軟骨、皮膚的優(yōu)良力學性能，因而在生物墨水材料的構建方面具有很大潛力。

近日，一篇名為“3D Printing Unique Nanoclay-IncorporatedDouble-Network Hydrogels for Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds”關于3D打印雙網(wǎng)絡水凝膠的文章由清華-伯克利深圳學院生物制造科研團隊郭鐘偉博士在工程技術1區(qū)期刊Advanced Healthcare Materials發(fā)表。

該研究團隊構建了一種新型納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠（Nanoclay-incorporated double-network (NIDN) hydrogels），納米粘土由于其特殊的結構和帶電屬性，在水溶液中會形成類似于紙牌屋“house-of-cards”的結構，該結構通�？梢宰鳛樯�物墨水的內(nèi)部自愈合支架，用于調節(jié)材料的流變性能。本研究中，透明質酸衍生物與海藻酸鈉的加入使得納米粘土的紙牌屋結構先后產(chǎn)生分離與再連接，最終形成一種具有自愈合，自支撐特性的生物墨水。隨后利用擠出式生物3D打印機（SunP CPD1/BioMaker，上普公司）制備了具有不同直徑的高強度1D纖維結構以及復雜的3D結構。3D打印支架還應用于骨髓間充質干細胞的培養(yǎng)，后續(xù)在大鼠顱骨缺損的修復中也取得了良好效果。

技術路線

實驗結果
1. NIDN水凝膠體系的制備及其流變學、內(nèi)部結構的表征

首先，將納米粘土均勻分散在純水中，得到均一透明的溶膠體系，隨后透明質酸衍生物hama和海藻酸鈉alginate的先后加入使得其結構產(chǎn)生分離與再連接，最終形成半透明的類凝膠體系。該體系可直接用于后續(xù)的3D打印研究，最終使用的濃度為：nanoclay: 7% w/v, hama: 5%w/v, alginate: 5% w/v。

2. NIDN水凝膠的溶脹性與強度表征

通過以上過程制備的NIDN預成膠體系先后經(jīng)過紫外光（Wavelength:365 nm, light intensity: 10 mW cm-2, 15 min）以及鈣離子（0.5 M Cacl2 solution, 10 min）固化后，分別形成了基于透明質酸衍生物hama的光誘導共價交聯(lián)網(wǎng)絡以及海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)網(wǎng)絡，最終可得到納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠, 其在水中的溶脹度很低，同時也具有良好的機械強度。

3. NIDN水凝膠的自愈合、自支撐特性表征

NIDN預成膠體系經(jīng)注射器擠出后可以維持住本身的形狀不坍塌，同時，流變學測試也表明了該體系具有顯著的剪切變稀特性，并且在反復高-低（300% strain, 1% strain）應變剪切的情況下，體系仍然可以保持良好的自愈合特征，以上結果意味著該體系具備作為擠出式打印墨水的潛質。

4. NIDN水凝膠的可打印性表征

基于以上對水凝膠流變特性的分析，結合擠出式3D打印技術，作者分別制備了不同直徑的高強度1D纖維，以及多種復雜的3D結構，包括類金字塔、類分支血管、類人類鼻子，類人類耳朵等結構，打印結構具有良好的彈性和強度。為了進一步說明該墨水體系的可拓展性，將不同濃度的磁性顆�；烊塍w系中，由此得到了一系列新型磁響應性墨水材料，具備磁響應性的網(wǎng)格結構以及類海豚結構也被成功的打印。最后為了驗證墨水體系的生物相容性以及潛在的骨誘導特性，骨髓間充質干細胞（BMSCs）被種植在支架表面，其良好的細胞存活率、細胞形態(tài)以及干細胞分化結果都證明了該墨水體系具有潛在的組織工程應用可能。

5. 3D打印支架修復大鼠顱骨缺損

為了進一步驗證NIDN墨水材料的骨誘導特性，非多孔以及多孔（300 μm）的支架材料被用于大鼠顱骨缺損模型中，4周以及8周的micro-CT結果表明兩種體系對骨再生都有一定的促進作用，同時，多孔支架的再生效果更為明顯。支架材料的可降解性對其組織工程應用有著重要意義，Van Gieson染色結果證明了隨著骨愈合的進行，NIDN墨水材料發(fā)生了一定的降解，同時誘導了骨缺損部位的組織再生過程。

結論
本文報道了一種新型高強度納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠，其具有良好的結構成型性，可打印性以及骨誘導特性。該體系由三種類型的交聯(lián)網(wǎng)絡構成：納米粘土介導的物理交聯(lián)網(wǎng)絡，透明質酸衍生物的光誘導共價交聯(lián)網(wǎng)絡以及海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)網(wǎng)絡。其內(nèi)部的相互作用機理通過不同的測試手段，如流變學、SEM、紫外-可見光光譜、紅外光譜以及zeta電位等進行了詳細的分析。最后，該墨水體系在大鼠顱骨缺損模型的骨再生修復中顯示出了良好的效果。這項研究提供了一種新型的生物材料墨水，為精準治療組織缺損和定制個性化組織工程支架提供了機會。同時，它也為雙網(wǎng)絡水凝膠的設計和生物3D打印提供了一定的科學和應用基礎。

參考文獻
Zhongwei Guo, Lina Dong, Jingjing Xia, Shengli Mi,and Wei Sun*. 3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogelsfor Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds. Advanced HealthcareMaterials. 2021, 2100036.

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202100036