斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)：高延展物理交聯(lián)水凝膠！3D 生物打印的 “速度密碼”

來源：EFL生物3D打印與生物制造

3D生物打印在組織工程領(lǐng)域意義重大，其中微擠出打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，但存在細(xì)胞活力低、打印分辨率低和打印速度受限等問題。水凝膠作為常用生物墨水，雖在生物相容性和細(xì)胞支持功能方面表現(xiàn)出色，且相關(guān)研究在細(xì)胞活力和機(jī)械性能方面取得進(jìn)展，但打印速度的限制卻未得到充分關(guān)注和有效解決。在高速打印時(shí)，生物墨水易受拉伸應(yīng)變和力的影響，當(dāng)超過其延伸應(yīng)變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)打印特征不連續(xù)、直徑不規(guī)則等問題，而水凝膠基生物墨水普遍因高含水量難以保證高打印性，具備高延展性以實(shí)現(xiàn)高速打印的水凝膠材料也較少，且相關(guān)研究匱乏。  

來自斯坦福大學(xué)的Eric A. Appel教授團(tuán)隊(duì)通過將疏水改性的纖維素聚合物與表面活性劑或環(huán)糊精等添加劑混合，制備出具有高延展性的物理交聯(lián)水凝膠生物墨水。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了添加劑對(duì)水凝膠流變性能的影響，并通過3D打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高延展性水凝膠在高速打印中的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)工作以“Highly Extensible Physically Crosslinked Hydrogels for High-Speed 3D Bioprinting”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上，為解決3D生物打印速度受限問題提供了新途徑 。

研究內(nèi)容
1. HPMC-C18水凝膠配方及添加劑影響研究，通過制備不同HPMC-C18聚合物含量與各類添加劑（吐溫、司盤、α-環(huán)糊精等）的水凝膠樣本，運(yùn)用頻率掃描、穩(wěn)態(tài)剪切應(yīng)力掃描、振幅掃描等流變測(cè)試方法。研究HPMC-C18水凝膠的線性粘彈性、非線性屈服特性以及添加劑對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和流動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，增加聚合物含量可提升水凝膠剛度，但對(duì)粘彈性影響較小；吐溫、α-環(huán)糊精等添加劑能有效調(diào)節(jié)水凝膠的粘彈性、應(yīng)力松弛時(shí)間和屈服應(yīng)力，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠剛度和粘彈性的獨(dú)立調(diào)控 。

圖1. HPMC-C18水凝膠配方示意圖及不同配方水凝膠的流變性能。  

2. 水凝膠拉伸斷裂應(yīng)變性能研究，采用絲狀拉伸拉伸流變儀（FiSER），在0.06s-1、0.1s-1、0.3s-1等不同的Hencky應(yīng)變率下對(duì)水凝膠樣本進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量水凝膠的拉伸斷裂應(yīng)變。研究不同Tw80濃度的HPMC-C18水凝膠的延展性。結(jié)果顯示，Tw80濃度的增加顯著提升了水凝膠的延展性，最高拉伸斷裂應(yīng)變可達(dá)2000%。同時(shí)，水凝膠表現(xiàn)出應(yīng)變率相關(guān)行為，且在拉伸過程中呈現(xiàn)均勻拉伸特性，避免了局部頸縮和變薄現(xiàn)象 。

圖2. 不同Tw80濃度水凝膠的拉伸斷裂應(yīng)變測(cè)量及相關(guān)特性。  

3. PTw80水凝膠3D打印性能探究，利用自制的基于擠出的3D打印機(jī)，設(shè)置不同的打印速度和材料擠出速度（通過控制流速實(shí)現(xiàn)），定義無量綱值S（S等于打印速度除以材料流速）分析打印性，并進(jìn)行細(xì)胞活力和增殖實(shí)驗(yàn)。研究PTw80水凝膠在3D打印中的適用性。結(jié)果表明，高延展性的PTw80水凝膠打印性能更好，能在更高的S值下保持較高的打印成功率，實(shí)現(xiàn)更細(xì)的打印絲直徑和更精確的打印分辨率。此外，該水凝膠具有良好的細(xì)胞相容性，能促進(jìn)細(xì)胞增殖 。

圖3. PTw80水凝膠的3D打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與其他水凝膠生物墨水的對(duì)比。

研究結(jié)論
本研究通過將疏水改性的纖維素基聚合物與多種生物材料混合，開發(fā)出一種可調(diào)節(jié)的水凝膠平臺(tái)。流變學(xué)研究表明，添加化學(xué)添加劑能夠在不改變水凝膠剛度的情況下，調(diào)節(jié)其粘彈性和應(yīng)力松弛行為，實(shí)現(xiàn)流變特性的選擇性控制。絲狀拉伸拉伸流變儀測(cè)試發(fā)現(xiàn)，添加Tw80顯著提高了水凝膠的延展性，在Tw80濃度最高的水凝膠中，拉伸斷裂應(yīng)變高達(dá)2000%。在3D打印實(shí)驗(yàn)中，該水凝膠的高速打印性能顯著提升，速度因子提高了5000多倍，有效解決了打印細(xì)絲斷裂和均勻性喪失的問題。研究結(jié)果表明，通過調(diào)整水凝膠成分優(yōu)化其延展性，為高速3D打印帶來了新的突破，有助于更高效、精準(zhǔn)地制造復(fù)雜且功能完備的組織。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202404988