中山大学付俊教授团队AFM Frontispiece：微凝胶墨水直接3D打印
3D生物打印技术在复杂结构和多细胞组织器官构筑方面具有不可替代的优势。生物3D打印墨水日益成为制约3D打印组织工程领域发展的瓶颈，其可打印性和物化性能，对细胞行为和命运的调控是构筑组织器官，实现再生的关键。水凝胶是含大量水的三维交联网络材料，具有类细胞外基质的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝胶材料存在凝胶-溶胶转变慢、支撑强度弱等问题，打印精度和结构稳定性有待改善。光交联、增稠剂或支持浴等策略可部分地解决这些难题，但增加了打印工艺的复杂程度，增大了生物毒性等风险。解决水凝胶材料可打印性与结构稳定性之间的矛盾，实现温和条件下的快速打印，构筑高精度仿生组织工程支架，是生物3D打印领域亟待解决的关键科学问题。
中山大学付俊教授团队发明了由微凝胶生物3D打印墨水，研究发现，微凝胶可通过氢键组装为宏观水凝胶(bulk hydrogel)，具有典型的触变性能、快速自愈合性能和一定的机械强度，可在常温条件下直接打印构筑复杂组织工程支架（图1）。
图1. 基于甲基丙烯酰化壳聚糖(CHMA)/聚乙烯醇(PVA)的微凝胶水凝胶墨水制备示意图
该墨水的关键在于微凝胶之间存在广泛的氢键作用。付俊团队合成了甲基丙烯酰化壳聚糖（CHMA）/聚乙烯醇(PVA)水凝胶（图1a,b），并将其可控地破碎成微凝胶（图2a）。在微凝胶中，PVA-PVA，PVA-CHMA中的羟基与羟基，羟基与氨基等官能团间具有强的成氢键能力，使得微凝胶组装成宏观凝胶。在剪切作用下，微凝胶墨水发生屈服和凝胶-溶胶转变（图2b），应力撤消后，又可快速自愈合恢复（图2c）。可逆的氢键作用赋予CHMA/PVA微凝胶墨水具有可控的剪切变稀（图3a）、屈服强度（图3b）和抗蠕变性能（图3c）。该墨水的流变行为符合Herschel-Bulkley流体特征（图3d），在挤出过程中呈塞流流动（图4a），降低了剪切作用对墨水的扰动，提高了微凝胶的稳定流动（图4b）。因此，无需添加增粘剂、支撑骨架和后交联处理，利用该墨水即可一步实现类血管、人耳、股骨等多种大长径比的仿生结构自支撑挤出打印（图5）。体外细胞培养发现，该水凝胶的化学微环境有利于骨髓间充质干细胞在支架上成细胞球（图6a）并保持高活性生长（图6 b, c），这为该支架体系在皮肤、软骨等组织工程领域的进一步应用奠定了基础。
图2. 微凝胶墨水的(a)粒径与形态，(b)剪切屈服，(c) 快速凝胶-溶胶转变与自愈合
图3. 流变表征微凝胶墨水的屈服流动行为：(a)剪切速率扫描粘度变化，(b)剪切应力扫描的屈服应力， (d)蠕变与恢复，(c) Herschel-Bulkley流动分析
图4. 基于Herschel-Bulkley流动分析微凝胶墨水在挤出打印针头中的塞流流动特征：(a)剪切速率分布，(b) 流动速度分布
图5. 自支撑高保真打印仿生高长径比仿生组织：(a, b)类血管结构，(c) 大鼠股骨，(d)人耳廓结构
图6. CHMA/PVA水凝胶支架支持干细胞成球生长：(a) 共聚焦显微镜荧光表征细胞形态，(b)细胞增殖数目与(c)细胞球黏附面积统计分析
该研究成果以“Direct 3D Printed Biomimetic Scaffolds Based on Hydrogel Microparticles for Cell Spheroid Growth”为题，作为Frontispiece论文发表于Advanced Functional Materials 2020，30（13）1910573 。博士生张华为第一作者，付俊教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(51873224, 51803227)、浙江省自然科学基金(LY17E030011、LQ19E030010)、宁波市自然科学基金(2017A610232)、浙江大学高分子合成与功能构造教育部重点实验室(2018MSF04)的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910573
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