Advanced Functional Materials:化整为零:水凝胶直接3D打印仿生支架

组织器官再生与重建是组织工程领域追求的目标,而具有仿生结构与功能的组织工程支架是实现这一宏伟目标的基础。组织器官结构与功能的复杂性,使得构筑仿生组织工程支架超越了传统的制造技术。生物3D打印是精准构筑复杂组织工程支架或人工器官的前沿技术,其成功有赖于3D打印墨水的发展。理想的生物3D打印墨水应兼备生物相容性、生物功能、可打印性和结构稳定性。水凝胶是含大量水的仿生结构与生物功能材料,与细胞外基质和生物组织相似,被广泛应用于生物3D打印墨水。然而,大多数水凝胶的可打印性与结构稳定性之间的矛盾,不利于获得高打印精度、自支撑和结构保真度。如何制备既能在温和条件下打印,又能快速成型,并且保持结构稳定的水凝胶材料,是生物3D打印领域迫切需要解决的基础科学问题。

中山大学材料科学与工程学院付俊教授与合作者提出了一个非常简洁的“化整为零”的新策略,制备了壳聚糖/PVA水凝胶微颗粒,水凝胶微颗粒通过广泛的氢键作用组装成宏观水凝胶,既具有一定的屈服强度,又表现出典型的“触变性”,即:在剪切作用下呈流动性,应力撤去后立即恢复凝胶状态。系统的研究工作表明,微凝胶之间氢键作用的可逆破坏与恢复是实现水凝胶剪切流动与快速自愈合的关键。在室温打印过程中,施加在料筒中的压力转化为剪切力,迫使微凝胶流动,形成稳定、连续的柱塞流,流出打印嘴以后,微凝胶瞬间形成凝胶,有利于保证打印精度。微凝胶之间的氢键作用还有利于层间结合,可打印多达35层薄壁结构,仍保持形状的稳定性。打印结构具有良好的抗蠕变性能。

基于这些优势,研究人员在室温下利用该墨水直接打印制备了类血管、人耳、股骨等多种具有复杂结构和大长径比的仿生结构。体外细胞培养证实该水凝胶有利于骨髓间充质干细胞在支架上成细胞球并保持生长。该研究工作为开发新型生物3D打印墨水、构筑生物活性仿生组织工程支架提供了新的思路。相关研究论文作为Frontispiece文章发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201910573)。

该研究工作得到国家自然科学基金项目资助(51873224)。