清華大學孫偉教授團隊 AHM | 納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠在生物3D打印中的應用

近日，清華大學孫偉教授團隊在生物材料領域著名期刊Advanced Healthcare Materials（IF：9.933）發(fā)表了一篇關于三維打印納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠構建復雜組織工程支架的研究：3D Printing Unique Nanoclay-Incorporated Double-Network Hydrogels for Constructionof Complex Tissue Engineering Scaffolds。清華大學特聘教授，美國Drexel大學Albert Soffa終身講席教授孫偉為本文通訊作者，清華大學博士后郭鐘偉為本文第一作者。

文章簡介
生物3D打印以生物材料和細胞為基本單元，按仿生形態(tài)學、細胞特定微環(huán)境等要求，利用“三維打印”技術制造個性化三維生物功能結構體的一種技術，其作為一種新型制造方式有望在組織工程以及再生醫(yī)學中發(fā)揮巨大作用。細胞、打印墨水和打印工藝及裝備是生物3D打印發(fā)展和應用的三個重要因素。其中打印墨水既決定了打印技術的實施，也直接構建了打印結構中的三維微環(huán)境，影響著細胞功能性實現(xiàn)及組織形成，是生物3D打印技術成功應用的重中之重。天然水凝膠因其特有與細胞質(zhì)基質(zhì)類似的相變結構，具有細胞親和性、生物學誘導性等特點，因而在生物3D打印中被廣泛用作打印墨水。但天然水凝膠的結構成型性和力學性能較差，打印結構難以長時間保持穩(wěn)定。雙網(wǎng)絡水凝膠 (Double-network hydrogel)，由于其獨特的材料組分選擇及構建機制，如雙層網(wǎng)絡交聯(lián)，高應變?nèi)嵝缘�，使其不但具有細胞親和性及基質(zhì)材料的柔軟性，更兼具可比擬人體軟骨、皮膚的優(yōu)良力學性能，因而在生物墨水材料的構建方面具有很大潛力。
基于此，清華大學孫偉教授課題組構建了一種特殊的納米粘土復合雙網(wǎng)絡水凝膠（Nnoclay-incorporated double-network (NIDN) hydrogels），納米粘土由于其特殊的結構和帶電屬性，在水溶液中會形成類似于紙牌屋“house-of-cards”的結構，該結構通�？梢宰鳛樯�物墨水的內(nèi)部自愈合支架，用于調(diào)節(jié)材料的流變性能。本研究中，透明質(zhì)酸衍生物與海藻酸鈉的加入使得該結構產(chǎn)生分離與再連接，最終形成一種具有自愈合，自支持特性的生物墨水。隨后利用擠出式生物3D打印機（上普生物 CPD1/BioMaker）制備了具有不同直徑的高強度1D纖維結構以及復雜3D結構。3D打印支架還應用于骨髓間充質(zhì)干細胞的培養(yǎng)，后續(xù)在小鼠顱骨缺損的修復中也取得了良好效果。

Figure 1  NIDN水凝膠生物墨水構建過程中的流變學變化

Figure 2  NIDN水凝膠的力學特性及內(nèi)部交聯(lián)機制分析

Figure 3  基于NIDN水凝膠生物墨水的1D纖維構建

Figure 4  基于NIDN水凝膠生物墨水的復雜3D結構構建

Figure 5  3D打印NIDN水凝膠多孔支架用于小鼠顱骨修復

參考文獻
Guo, Z., Dong, L., Xia, J., Mi, S. and Sun, W., 2021. 3D Printing Unique Nanoclay‐Incorporated Double‐Network Hydrogels for Construction of Complex Tissue Engineering Scaffolds. Advanced Healthcare Materials, 10(11), p.2100036.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202100036