3D打印水凝膠與工程納米晶域功能血管結(jié)構(gòu)

來源： 高分子物理學(xué)

3D打印水凝膠是一種通過添加劑制造技術(shù)，能夠精確構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。結(jié)合工程納米晶域，能夠增強水凝膠的機械性能和生物相容性，促進細胞生長和組織再生。

在功能血管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，這種技術(shù)能創(chuàng)造出類似于自然血管的微環(huán)境，支持細胞的代謝活動，同時提高輸送營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的能力，從而為再生醫(yī)學(xué)提供了新的前景。通過優(yōu)化3D打印工藝和材料特性，研究者可以實現(xiàn)具有生物活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的功能血管網(wǎng)絡(luò)，助力于修復(fù)受損組織和器官。

背景
人工血管

多是以尼龍、滌綸、聚四氟乙稀等合成材料人工制造的，用于血管重建等血管疾病的外科治療。

性能要求

• 良好的生物相容性和血液相容性
• 一定的機械強度
• 具有適當(dāng)?shù)慕到馑俾?li>有望實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)且可儲存
  

目前的問題

在常規(guī)材料制備過程中，難以實現(xiàn)小尺寸及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密構(gòu)造。為了解決這一問題，采用了光固化成型的3D打印技術(shù)。該技術(shù)能夠更精準(zhǔn)地制造出所需結(jié)構(gòu)。

然而，3D打印后所生成的小分子可能難以去除，并且大部分水凝膠也顯得較為脆弱。這使得維持通過線纜穿刺移植后的人體長期穩(wěn)定性變得更加困難。因此，研究者們開始探索使用大分子水凝膠，以提高前驅(qū)體的性能和穩(wěn)定性，從而改善這一挑戰(zhàn)。

改進方法

聚乙烯醇-甲基丙烯酸水凝膠（PVA-GMA）的合成過程包括多個關(guān)鍵步驟。首先，進行水凝膠的成型，確保材料的初步結(jié)構(gòu)和功能特性。接下來，引入晶域誘導(dǎo)技術(shù)，以優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)化過程中，設(shè)計合適的構(gòu)架是至關(guān)重要的，這將直接影響水凝膠的性能。同時，表面改性也不可忽視，通過改善材料表面的性質(zhì)，進一步提升其功能性。

基于PVAGMA的DLP 3D打印技術(shù)
基于宏分子前體PVAGMA的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)涉及多個關(guān)鍵步驟，首先是通過化學(xué)反應(yīng)將聚乙烯醇（PVA）與甲基丙烯酸（GMA）結(jié)合，形成前驅(qū)體。接下來，通過DLP 3D打印過程，將此前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為水凝膠。

在此過程中，確定合適的分子量（Mw）和取代度（DOS）尤為重要。研究表明，較低的DOS可能會導(dǎo)致P-PVA水凝膠的機械強度下降，使其在打印過程中難以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而較高的DOS雖可能減少水凝膠的連通性和鏈遷移率，反而有助于提高材料的交聯(lián)度和結(jié)晶。

聚乙烯醇基水凝膠的改性
本研究探討了基于聚乙烯醇（PVA）的水凝膠的改性及其性能表現(xiàn)。首先，通過不同的制備方法，如冷凍-解凍、鹽析等，對樣品進行3D打印，獲得了不同結(jié)構(gòu)的水凝膠。在力學(xué)性能測試中，實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過堿處理的水凝膠（AP-PVA）在抗拉強度和維度變化方面表現(xiàn)良好，顯示出優(yōu)越的機械性能。

利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和差示掃描量熱法（DSC）對水凝膠的晶體結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明，PVA的晶體結(jié)構(gòu)在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生了變化，指示物質(zhì)的相轉(zhuǎn)變。同時，通過調(diào)整OH基團的引入，成功改善了材料的力學(xué)性能與水分吸收能力。

在應(yīng)力-應(yīng)變測試中，PVA和AP-PVA的表現(xiàn)差異顯著，尤其是在循環(huán)拉伸和凹陷實驗中，AP-PVA展示了更好的拉伸強度和耐久性。這些研究表明，通過合適的改性手段，可以有效提升聚乙烯醇基水凝膠的物理性能，為其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

AP-PVA水凝膠的性能優(yōu)化
本研究重點分析了改性聚乙烯醇（PVA）水凝膠（AP-PVA）的結(jié)構(gòu)與性能。通過對比不同處理的水凝膠，觀察到AP-PVA在力學(xué)性能和抗拉強度方面表現(xiàn)出顯著提升。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，AP-PVA表現(xiàn)出更為豐盈的孔結(jié)構(gòu)，有助于提升其生物相容性和力學(xué)性能。

衍射圖譜分析表明，AP-PVA的晶體尺寸優(yōu)化，有助于提高材料的整體強度。同時，實驗結(jié)果顯示，在循環(huán)拉伸測試中，AP-PVA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)優(yōu)越，相比于未處理的PVA，具有更高的抗拉強度和韌性。此外，AP-PVA在細雷管和與生物組織相容性測試中也顯示出良好的性能，能夠承受高達257±26 kPa的破裂壓力。

該研究為AP-PVA在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)，證明其在各種應(yīng)力條件下的適應(yīng)能力和優(yōu)越的機械性能，展示了廣闊的應(yīng)用前景。

成果
人工血管在不同體內(nèi)環(huán)境中的研究
本研究展示了利用聚乙烯醇基材料（AP-PVA）制備的人造血管，這些血管具有直徑為0.75毫米的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，模擬了人體小血管的特性。通過3D打印技術(shù)，研究者成功構(gòu)建了多支主動脈及其分支，形成了精確的動脈網(wǎng)絡(luò)，以便于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

研究還探討了在不同環(huán)境下的血液流動特性，重點分析了血液在靜脈與動脈的輸送過程。實驗表明，在循環(huán)過程中，液體的流動模式會受到不同環(huán)境因素的影響，成功觀察到流體的反向流動和血栓形成現(xiàn)象。通過壓力和流量的監(jiān)測，研究團隊詳細記錄了不同時間節(jié)點下的流動變化。

這些結(jié)果為未來開發(fā)高性能仿生血管和管理血流動態(tài)提供了重要依據(jù)，并且有助于改善體外實驗的有效性和準(zhǔn)確性，為人工血管在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

改進表面特性以優(yōu)化人工血管的血液相容性
本研究探討了聚乙烯醇基駢腺苷（AP-PVA-G）水凝膠在血液相容性方面的改進，旨在提升其在人工血管中的應(yīng)用效果。利用CDI（1,1'-碳二亞胺）對水凝膠進行改性，結(jié)果表明，AP-PVA-G水凝膠具備更均勻的內(nèi)皮細胞貼附特性，顯示出優(yōu)異的低血栓形成能力。

實驗結(jié)果顯示，AP-PVA-G的蛋白質(zhì)吸附能力較低，且在循環(huán)流動實驗中未觀察到細胞損傷，表明其具有良好的血液兼容性。此外，顯微鏡觀察結(jié)果證實，在不同時間點（1周、2周和4周），AP-PVA-G在體內(nèi)的生物相容性表現(xiàn)穩(wěn)定，內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞保持了正常的形態(tài)。

綜上所述，通過表面修飾，AP-PVA-G水凝膠顯示出在低血栓形成和改善長時間通透性方面的潛力，使其具備更好的體內(nèi)安全性，為未來的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)論
本文提出了通過3D打印、并使用基于PVA的大分子前驅(qū)體墨水來制造堅固的水凝膠血管結(jié)構(gòu)的策略，同時通過引入納米晶結(jié)構(gòu)域來顯著地增強韌性和強度，從而滿足血管結(jié)構(gòu)的要求，包括高保真度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，機械堅固性，同時通過表面改性手段改善長期植入引發(fā)的血栓，提高血液相容性。體外和體內(nèi)研究已經(jīng)證明了功能性血管置換的前景，以及其良好的瓣膜結(jié)構(gòu)，可以精細地調(diào)節(jié)內(nèi)部血流。