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動態配位化學制備3D打印生物水凝膠



由于水凝膠材料的高含水率以及能夠模擬細胞外基質的特性,越來越多的科學家將其作為3D打印“bioink”應用于生物醫藥領域??纱蛴∷z材料通常需要優異的流動性來避免打印噴頭的堵塞,同時也要求其在固化后擁有良好的力學性能來防止所打印結構的塌陷。為了滿足以上要求,在3D打印過程中需要在極短的時間內實現墨水的“溶膠-凝膠”原位轉變。


目前,主要有兩種方法來實現這種轉變:第一種是采用“A+B”的化學交聯法,該方法需要非常精確地調節3D打印參數來實現原位成膠反應;另一種方法是基于溫度變化的物理交聯法來實現“溶膠-凝膠”轉變,該方法需要嚴格控制噴頭處的溫度。


以上兩種方法設計出的“bioink”通常需要配備價格昂貴并進行過特殊改裝的3D生物打印機。因此,開發新的“bioink”使其能在大部分商業3D打印機中應用,是生物打印領域主要挑戰之一。


來自瑞典Uppsala大學的研究者通過動態配位化學設計了一種新的擁有自愈合和剪切稀化特性的水凝膠材料。該水凝膠材料能夠使用簡單改裝后的商業3D打印機進行打印。為了避免打印結構的塌陷,研究者采用自由可逆嵌入技術(Freeform

Reversible Embedding)將墨水打印在凝膠支撐?。╯upport gel

bath)里。等打印結束后,再將打印結構進行紫外光激發的化學固化。


該打印系統能夠打印復雜結構(如管狀材料),以及將生物活性配體直接“寫”在3D水凝膠的不同位置。為了設計上述水凝膠材料,研究者采用人體內含有的一種生物多糖,透明質酸(HA),作為起始材料,并對HA進行雙基團修飾,將二磷酸鹽基團

(BP)和丙烯酰胺基團(Am) 同時化學連接在HA主鏈上,得到HA衍生物, Am-HA-BP。當Ca2+ 離子引進到Am-HA-BP

溶液中,即可形成Am-HA-BP/Ca2+ 水凝膠。


由于該水凝膠由Ca2+離子和HA鏈上的BP基團形成的動態螯合化學鍵交聯所得,從而該凝膠表現出可觸變的力學性能(自愈合和剪切稀化)。這種可觸變的力學性能保證了水凝膠能從注射器中被很容易地打印出來,該性能是Am-HA-BP/Ca2+凝膠和通常使用的藻酸鹽/Ca2+

生物墨水的最主要區別。


其中,Am集團能夠在紫外光激發下形成高力學性能的化學交聯網絡,保證了打印材料的結構穩定。此外,干細胞能在Am-HA-BP/Ca2+凝膠中存活,并且紫外光的照射并未降低細胞的存活率。



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