3D打印載表面功能結構的堅韌水凝膠支架用于組織再生

來源： EFL生物3D打印與生物制造

體內很多組織主要成分是蛋白類有機材料，有著很好的強度和韌性。在組織再生修復中常用的生物水凝膠也是以從天然組織中提取的明膠等為作為主要成分，但其在提取及工程化處理后，生物學性能很大程度上保留下來，強度和韌性卻喪失了。故而目前的生物水凝膠及打印的水凝膠支架大多軟脆，力學性能不佳。那能否在體外恢復出類體內的強度和韌性？

EFL團隊在2023年報道了一種機械訓練方法，將明膠基水凝膠的強度提升了145倍。但該工作的局限性在于，該方法無法與3D打印集成，難以實現有序的三維結構。本研究提出了一種通用的堅韌水凝膠支架制造方法(打印-P、訓練-T、交聯-C)來填補這一空白。通過3D打印制備定制化結構、光交聯鎖定強化訓練結果，將水凝膠支架的強度提升622倍，進一步的我們制備出具有3D打印定制化多孔載表面功能結構的堅韌水凝膠支架，并進行了系列體內植入實驗證實了其有效性。

我們首先通過3D打印制造出具有所需結構的水凝膠支架(P)。然后，通過鹽析輔助的循環(huán)機械訓練(T)，支架可以具有極高的機械性能和功能表面結構。最后，通過光交聯處理(C)固定訓練結果。獲得的堅韌明膠水凝膠支架具有優(yōu)異的抗拉強度，在保證優(yōu)異生物學性能的同時，強度可達6.66 MPa(是未經處理的622倍)。

該支架具有從納米到微米到毫米的功能表面結構，可以有效地誘導細胞定向生長，該方法還能通過支架力學性能的調控，實現對10 kPa-10 MPa人體組織的仿生。我們還證明了這是一個通用的策略，許多生物水凝膠，如明膠和絲素蛋白，都可以通過該策略提升強度。我們通過動物實驗證明這個強韌的水凝膠體系有極佳的生物學性能，能促進缺損組織的快速再生。

相關研究以“3D Printing of Tough Hydrogel Scaffolds with Functional Surface Structures for Tissue Regeneration”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。浙江大學的賀永教授和浙江大學口腔醫(yī)院的謝志堅教授為論文共同通訊作者，共同第一作者為姚克博士和洪高英博士。

圖1 堅韌水凝膠支架的制備方法及特點

研究者首先通過3D打印制備具有多孔和定制結構的水凝膠支架，隨后在訓練中，將水凝膠放在硫酸銨溶液中反復拉伸。通過鹽析進行相分離，硫酸銨取代水分子的位置，在水凝膠支架表面和內部形成定向微觀結構，促進水凝膠分子鏈有序排列。然后將水凝膠置于PBS溶液中釋放預拉伸，并從水凝膠中釋放硫酸銨，以確保水凝膠支架的生物相容性。經過幾輪訓練，研究者構建了具有功能表面結構的強韌的水凝膠支架。

圖2 堅韌水凝膠制備過程示意圖及性能

進一步，研究者研究了水凝膠支架在硫酸銨溶液中拉伸訓練時的強化機制。帶電殘基之間的相互作用可以提供特異性。在訓練過程中，水凝膠分子鏈的結合順序與結合物質的電荷強度有關。硫酸銨離子強度最高，首先與親水分子鏈結合。因此，在拉伸訓練過程中，由于結合能低于配位的強化結合能，H2O被SO42−配位強化。隨著拉伸過程的繼續(xù)，分子鏈在拉伸應力的作用下變得更加緊密，并沿拉伸方向定向。當SO42−的配位能高于水分子的配位能時，原來與分子鏈結合的水分子會被SO42−所取代。由于離子強度和結合能的變化，水分子逐漸從GelMA分子鏈上解離(圖3i)，使其密度增大，實現了水凝膠支架的強化過程。研究者通過分子動力學進一步驗證了上述觀點。綜上所述，高取向度分子鏈與致密的分子鏈網絡協(xié)同顯著增強了水凝膠支架的力學性能。

圖3 堅韌水凝膠支架強化機理

接下來研究者發(fā)現，在水凝膠支架的訓練過程中，不同的拉伸比例會影響訓練效果。在拉伸開始時，隨著拉伸比的增大，分子鏈沿拉伸方向排列的效果更加明顯，強化效果也更加明顯。但是，如果拉伸比過大，水凝膠纖維可能會斷裂，導致微觀結構缺陷，進而影響水凝膠支架的力學性能。最終研究者確定100%為最佳拉伸比例（圖4）。隨后研究者驗證了堅韌水凝膠支架能夠顯著延長其降解時間，能夠匹配組織修復時長。且通過訓練后，幾乎不含硫酸鹽組分，保證了其生物相容性。

圖4 堅韌水凝膠支架的可打印性及拉伸比例的影響

有趣的是，該策略可以通過改變鹽的類型產生機械性能為10 kPa-10 MPa的仿生人體組織力學性能的堅韌水凝膠支架，并且許多水凝膠，如明膠和絲素蛋白水凝膠，可以通過這個策略得到改善，顯著提升其力學強度或斷裂延展性。

圖5 堅韌水凝膠力學性能可調

細胞實驗表明，堅韌水凝膠支架不僅具有良好的生物相容性，并且能夠顯著促進細胞黏附。并且在4天內可有效誘導C2C12細胞定向生長。

圖6 堅韌水凝膠支架的生物相容性

動物實驗表明，該支架能在4周內有效促進新一代肌纖維、血管和神經的生成，促進大容量肌肉損失損傷的快速再生。

圖7 術后2周和4周各組再生肌肉組織學分析

圖8 術后2周和4周各組再生肌肉的免疫組織化學分析

文章來源：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01524-z