用于 3D 生物打印的機(jī)械性能穩(wěn)健型非溶脹冷水魚明膠水凝膠

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在3D生物打印領(lǐng)域，水凝膠作為常用材料，雖具高含水量等優(yōu)勢，卻面臨打印后腫脹難題。打印后的腫脹會改變打印結(jié)構(gòu)的幾何與機(jī)械性能，致使與原始設(shè)計出現(xiàn)偏差，對細(xì)胞功能及組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響 。盡管科研人員在開發(fā)非溶脹水凝膠方面投入諸多努力，但因材料合成繁瑣、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限，其在3D細(xì)胞封裝及生物打印中的應(yīng)用仍有待實現(xiàn)。  

來自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室的Kongchang Wei教授團(tuán)隊 ，聯(lián)合多方開展深入研究，致力于突破這一困境。他們以冷水魚明膠（cfGel）為原料，借助硫醇-烯“點擊”化學(xué)構(gòu)建了僅含單一網(wǎng)絡(luò)的新型非溶脹水凝膠 。相關(guān)工作以“Mechanically Robust Non-Swelling Cold Water Fish Gelatin Hydrogels for 3D Bioprinting”為題發(fā)表于《Materials Today Bio》 ，為解決3D生物打印中水凝膠腫脹問題提供了創(chuàng)新性思路，有望推動組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

圖1. 全冷水魚明膠基水凝膠（cfGel-Hydrogel）的設(shè)計與特性。

1. 水凝膠合成與流變特性，通過合成cfGel-NB和cfGel-SH功能聚合物，利用硫醇-烯“點擊”化學(xué)交聯(lián)，結(jié)合流變學(xué)測試（時間掃描、應(yīng)變掃描、頻率掃描），研究了不同cfGel-NB與cfGel-SH質(zhì)量比（R）對水凝膠交聯(lián)效率、剛度（G'）和線性粘彈性范圍的影響。結(jié)果表明，UV曝光10秒內(nèi)可快速成膠，R=4:6時G'最高，水凝膠可承受100%應(yīng)變未斷裂，呈現(xiàn)低阻尼特性。      

圖2. 功能性冷水魚明膠聚合物的合成、交聯(lián)過程及流變性能。   

2. 生理條件下的非溶脹特性，通過在不同濃度PBS、超純水（UPW）、NaCl和CaCl₂溶液中測量溶脹率（SR），研究了cfGel-水凝膠的溶脹行為與離子強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明，R=5:5的水凝膠在PBS中溶脹率<±10%，表現(xiàn)為非溶脹；高鹽溶液（如8×PBS）導(dǎo)致脫水收縮，而低離子強(qiáng)度溶液（如UPW）引發(fā)顯著腫脹，Ca²⁺通過與明膠羧酸基團(tuán)相互作用增強(qiáng)脫水收縮。      

圖3. cfGel-水凝膠在不同溶液中的溶脹行為。   

3. 機(jī)械性能與分子機(jī)制，通過循環(huán)壓縮測試、楊氏模量測量和橡膠彈性理論計算，研究了水凝膠在PBS和UPW中的力學(xué)響應(yīng)及分子鏈構(gòu)象變化。結(jié)果表明，PBS中受限溶脹使水凝膠具備高機(jī)械穩(wěn)健性（承受80%壓縮應(yīng)變，滯后率>40%），而UPW中溶脹導(dǎo)致力學(xué)性能下降；分子鏈在PBS中的構(gòu)象收縮率達(dá)49%，交聯(lián)點間距縮短，解釋了能量耗散與快速恢復(fù)特性。      

圖4. cfGel-水凝膠在PBS和UPW中的循環(huán)壓縮測試及力學(xué)參數(shù)。   

4. 細(xì)胞封裝與3D生物打印，通過Alamar Blue代謝活性檢測、活/死染色和免疫熒光成像，研究了人真皮成纖維細(xì)胞（HDFs）在不同濃度cfGel-水凝膠中的存活、增殖和 spreading行為。結(jié)果表明，5 wt%和7.5 wt%水凝膠支持細(xì)胞長期存活，10 wt%因剛度較高限制細(xì)胞擴(kuò)散；結(jié)合FRESH技術(shù)打印含細(xì)胞的多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，證明水凝膠在2周培養(yǎng)中保持形狀保真度，僅因細(xì)胞收縮力出現(xiàn)輕微彎曲。      

圖7. 無細(xì)胞和含細(xì)胞的cfGel-水凝膠3D打印結(jié)構(gòu)及其細(xì)胞相容性評估。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種全冷水魚明膠基“點擊”水凝膠（cfGel-Hydrogel），其通過單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硫醇-烯化學(xué)交聯(lián)，在生理條件下表現(xiàn)出顯著的抗溶脹性（溶脹率<2%）。非溶脹特性源于明膠聚合物在鹽溶液中的構(gòu)象收縮，賦予水凝膠能量耗散（滯后率>40%）和快速恢復(fù)的機(jī)械性能，可承受80%壓縮應(yīng)變而不發(fā)生內(nèi)聚破壞。細(xì)胞封裝實驗表明，該水凝膠具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性，支持人真皮成纖維細(xì)胞在3D結(jié)構(gòu)中長期存活和擴(kuò)散。通過擠出式3D生物打印驗證，含細(xì)胞的打印結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)過程中保持形狀穩(wěn)定性，僅因細(xì)胞收縮力產(chǎn)生輕微形變。本研究為構(gòu)建形狀保真、力學(xué)穩(wěn)健的生物打印組織提供了新平臺，在再生醫(yī)學(xué)和疾病建模領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101701