VIEW:颗粒水凝胶—3D生物打印的新宠

一切皆流,无物常驻。从无边的沙漠到浩瀚的宇宙,从移动的沙丘到星空中的陨石,从粮仓里的谷堆到高山的积雪,游走于固液边缘的颗粒物质蕴含着复杂的自然现象和深刻的物理问题。颗粒物质通常是指由1微米以上的粒子组成的一个堆砌体系,静止时类似于固体,流动时则表现出液体的性质。在人类发展的长河中,颗粒介质在能源、环境、材料、化工、生物等领域的广泛应用加速了人类工业文明的进程和生活水平的提高。南京工业大学余子夷课题组以颗粒水凝胶主题,总结了其在3D生物打印中扮演的生物墨水和支撑介质的新角色。利用颗粒水凝胶剪切变稀和自愈合特性,可突破传统3D生物打印过程中精度可控性差、重复定位能力低、材料选择具有局限性的难题,将对未来3D生物打印带来革命性的改变与必要补充。

颗粒水凝胶是由微米级水凝胶粒子组成的一类新型颗粒材料,它不仅具备常规水凝胶含水量高、生物相容性好的特点,还呈现出颗粒材料独有的静力学和动力学特征。尤为重要的是,当颗粒水凝胶的堆积密度在达到0.58以上时表现出明显的颗粒堵塞(Jamming)相变,具备剪切稀化特性和宏观自愈合性能。利用这一特征,颗粒水凝胶可用作3D生物打印的生物墨水或支撑介质,在解决传统打印的结构无法实现长久稳定的基础上,扩展实施3D生物打印的材料、细胞、组织和类器官方面的种类,提高3D生物打印的精准度和重复性。

南京工业大学化工学院,材料化学工程国家重点实验室余子夷课题组以颗粒水凝胶主题,总结了其在3D生物打印中的新角色。一方面,文章综述了目前正在蓬勃发展的颗粒水凝胶支撑浴体系,利用商业化的卡波姆(Carbopo)颗粒水凝胶或天然高分子颗粒凝胶为基质,可实现在20微米分辨率条件下的多级多种类的细胞3D打印,颗粒水凝胶支撑浴还可以作为细胞生长的培养基;另一方面,文章同时总结了颗粒水凝胶作为新型生物墨水的进展,因其在高剪切应力下剪切稀化特性,颗粒凝胶可形成连续的打印长丝,完美的适配了基于挤压的3D生物打印的要求。

研究者相信,尽管颗粒水凝胶在目前3D打印中还存在着某些挑战,但它的出现将为相关领域的研究者在实施3D或4D打印的过程提供新的思路和新的方法。在国家自然科学基金、江苏特聘教授项目、江苏省自然科学基金等资助下,余子夷课题组将继续开展颗粒水凝胶在3D打印工程化活体材料方面的工作,期待未来取得突破性的进展。该综述论文发表在VIEW上(DOI:10.1002/VIW.20200060),南方科技大学机械系刘吉教授是本文的合作作者。