Advanced Functional Materials:自增稠/自增强3D打印耐溶胀高强度超分子聚合物水凝胶半月板替代物

3D打印高强度水凝胶在定制个性化承载组织替代物方面具有巨大应用潜能。目前,研究人员已经构建了一系列3D打印高强度水凝胶,但大多耐溶胀性能较差,无法在水环境中保持稳定的力学性能和尺寸,不利于在生理环境中的应用。聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)超分子聚合物水凝胶具有优良的力学性能和溶胀稳定性,但直接打印超分子聚合物水凝胶存在力学强度和可打印性的trade-off问题(低强度,容易打印,高强度,难以打印),限制了其在构建组织替代物方面的应用。

针对上述问题,利用PNAGA超分子聚合物水凝胶浓度依赖性的氢键增强机理,天津大学刘文广教授课题组提出了一种自增稠/自增强策略来实现高强度超分子聚合物水凝胶的3D打印。将高浓度的N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)单体负载到低浓度的PNAGA热可逆软凝胶中,构建PNAGA+NAGA“自增稠”3D打印墨水,软PNAGA凝胶起到增稠作用,赋予打印性,制品打印后再聚合预先加入的“休眠”的高浓度NAGA单体,后补偿的高浓度NAGA聚合后形成高密度的氢键交联,对软PNAGA凝胶起到显著的补强作用,因此最终打印的水凝胶可保持高的力学强度,很好地解决了可打印性和高强度的trade-off问题,极大拓宽了材料性能的可调范围。此外,“自增稠”策略具有普适意义,可以实现带不同侧基的聚合物(中性、阴离子、两性离子)水凝胶的3D打印,有望进一步拓宽水凝胶的应用范围。

3D打印PNAGA水凝胶保持较高的力学强度,在水中耐溶胀,将其用作半月板替代物,结果显示:植入4 w后,材料仍位于植入部位,且相比于半月板切除组,植入组的关节软骨磨损程度减弱,说明3D打印PNAGA水凝胶半月板替代物对关节软骨起到了有效的保护作用。

徐子扬博士生为该论文的第一作者,刘文广教授为通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划 (基金号:2018YFA0703100)和国家自然科学重点基金 (基金号:51733006)的资助。

相关工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202100462)上。