清華大學(xué)孫偉教授團隊 AHM | 納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在生物3D打印中的應(yīng)用

近日，清華大學(xué)孫偉教授團隊在生物材料領(lǐng)域著名期刊Advanced Healthcare Materials（IF：9.933）發(fā)表了一篇關(guān)于三維打印納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠構(gòu)建復(fù)雜組織工程支架的研究：3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogels for Constructionof Complex Tissue Engineering Scaffolds。清華大學(xué)特聘教授，美國Drexel大學(xué)Albert Soffa終身講席教授孫偉為本文通訊作者，清華大學(xué)博士后郭鐘偉為本文第一作者。

文章簡介
生物3D打印以生物材料和細(xì)胞為基本單元，按仿生形態(tài)學(xué)、細(xì)胞特定微環(huán)境等要求，利用“三維打印”技術(shù)制造個性化三維生物功能結(jié)構(gòu)體的一種技術(shù)，其作為一種新型制造方式有望在組織工程以及再生醫(yī)學(xué)中發(fā)揮巨大作用。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，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)，由于其獨特的材料組分選擇及構(gòu)建機制，如雙層網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，高應(yīng)變?nèi)嵝缘?，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。
基于此，清華大學(xué)孫偉教授課題組構(gòu)建了一種特殊的納米粘土復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Nnoclay-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)通常可以作為生物墨水的內(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該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分離與再連接，最終形成一種具有自愈合，自支持特性的生物墨水。隨后利用擠出式生物3D打印機（上普生物 CPD1/BioMaker）制備了具有不同直徑的高強度1D纖維結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜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)在小鼠顱骨缺損的修復(fù)中也取得了良好效果。

Figure 1  NIDN水凝膠生物墨水構(gòu)建過程中的流變學(xué)變化

Figure 2  NIDN水凝膠的力學(xué)特性及內(nèi)部交聯(lián)機制分析

Figure 3  基于NIDN水凝膠生物墨水的1D纖維構(gòu)建

Figure 4  基于NIDN水凝膠生物墨水的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)構(gòu)建

Figure 5  3D打印NIDN水凝膠多孔支架用于小鼠顱骨修復(fù)

參考文獻
Guo, Z., Dong, L., Xia, J., Mi, S. and Sun, W., 2021. 3D Printing Unique Nanoclay‐Incorporated Double‐Network Hydrogels for Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds. Advanced Healthcare Materials, 10(11), p.2100036.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202100036