納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠及在生物3D打印中的應(yīng)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)用的三個重要因素。其中打印墨水既決定了打印技術(shù)的實施，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)特的材料組分及構(gòu)建機(jī)制，如雙層網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，高機(jī)械強(qiáng)度，高應(yīng)變?nèi)嵝缘龋�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。

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

該研究團(tuán)隊構(gòu)建了一種新型納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Nanoclay-incorporated double-network (NIDN) hydrogels），納米粘土由于其特殊的結(jié)構(gòu)和帶電屬性，在水溶液中會形成類似于紙牌屋“house-of-cards”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通�？梢宰鳛樯�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納米粘土的紙牌屋結(jié)構(gòu)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(jī)（SunP CPD1/BioMaker，上普公司）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)雜的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)在大鼠顱骨缺損的修復(fù)中也取得了良好效果。

技術(shù)路線

實驗結(jié)果
1. NIDN水凝膠體系的制備及其流變學(xué)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)酸衍生物hama和海藻酸鈉alginate的先后加入使得其結(jié)構(gòu)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(qiáng)度表征

通過以上過程制備的NIDN預(yù)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(zhì)酸衍生物hama的光誘導(dǎo)共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，最終可得到納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠, 其在水中的溶脹度很低，同時也具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。

3. NIDN水凝膠的自愈合、自支撐特性表征

NIDN預(yù)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(xué)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(fù)高-低（300% strain, 1% strain）應(yīng)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(jié)果意味著該體系具備作為擠出式打印墨水的潛質(zhì)。

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(jié)合擠出式3D打印技術(shù)，作者分別制備了不同直徑的高強(qiáng)度1D纖維，以及多種復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，包括類金字塔、類分支血管、類人類鼻子，類人類耳朵等結(jié)構(gòu)，打印結(jié)構(gòu)具有良好的彈性和強(qiáng)度。為了進(jìn)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(yīng)性墨水材料，具備磁響應(yīng)性的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及類海豚結(jié)構(gòu)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(dǎo)特性，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）被種植在支架表面，其良好的細(xì)胞存活率、細(xì)胞形態(tài)以及干細(xì)胞分化結(jié)果都證明了該墨水體系具有潛在的組織工程應(yīng)用可能。

5. 3D打印支架修復(fù)大鼠顱骨缺損

為了進(jìn)一步驗證NIDN墨水材料的骨誘導(dǎo)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(jié)果表明兩種體系對骨再生都有一定的促進(jìn)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(yīng)用有著重要意義，Van Gieson染色結(jié)果證明了隨著骨愈合的進(jìn)行，NIDN墨水材料發(fā)生了一定的降解，同時誘導(dǎo)了骨缺損部位的組織再生過程。

結(jié)論
本文報道了一種新型高強(qiáng)度納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其具有良好的結(jié)構(gòu)成型性，可打印性以及骨誘導(dǎo)特性。該體系由三種類型的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：納米粘土介導(dǎo)的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，透明質(zhì)酸衍生物的光誘導(dǎo)共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。其內(nèi)部的相互作用機(jī)理通過不同的測試手段，如流變學(xué)、SEM、紫外-可見光光譜、紅外光譜以及zeta電位等進(jìn)行了詳細(xì)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(fù)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(zhǔn)治療組織缺損和定制個性化組織工程支架提供了機(jī)會。同時，它也為雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的設(shè)計和生物3D打印提供了一定的科學(xué)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)
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