加拿大阿爾伯塔大學(xué)Lingyun Chen教授團(tuán)隊(duì)《Small》期刊上發(fā)表文章“High-Resolution 3D Printing of Stretchable Granular Hydrogel Filaments for Fabricating Robust and Durable Tissue Phantoms with Tunable Mechanical Strength”，作者研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中開發(fā)了一種基于乳清蛋白微凝膠的顆粒水凝膠（WMGH）及其雙網(wǎng)絡(luò)變體（DN-WMGH），用于高分辨率 3D 打印和組織模擬。通過蛋白 - 多糖相分離法制備出尺寸可控的微凝膠，WMGH 可通過調(diào)節(jié)打印速度和壓力實(shí)現(xiàn) 200 μm 分辨率的 3D 打印，墨水?dāng)U散率僅約 5%，能構(gòu)建人耳、主動脈瓣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。引入聚丙烯酰胺第二網(wǎng)絡(luò)后，DN-WMGH 的韌性較純 PAM 水凝膠提升 36 倍，機(jī)械強(qiáng)度在 6–300 kPa 范圍內(nèi)可調(diào)，且經(jīng) 100 次 100% 應(yīng)變拉伸循環(huán)后完全恢復(fù)。該材料可模擬從大腦（<10 kPa）到腸道（≈300 kPa）等組織的力學(xué)性能，生物相容性良好，在手術(shù)訓(xùn)練、植入設(shè)備和藥物輸送系統(tǒng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

WHAT—什么是雙網(wǎng)絡(luò)DN-WMGH水凝膠？

雙網(wǎng)絡(luò)DN-WMGH水凝膠是通過蛋白-多糖相分離法制備1、6、20μm乳清蛋白微凝膠并構(gòu)建顆粒水凝膠（WMGH），再經(jīng)丙烯酰胺單體浸泡和UV固化形成聚丙烯酰胺第二滲透網(wǎng)絡(luò)制得，其結(jié)構(gòu)中乳清蛋白微凝膠均勻分布于PAM基質(zhì)，孔隙小且分布均勻，兼具高分辨率3D打印性能（200μm分辨率、5%墨水?dāng)U散率）與優(yōu)異力學(xué)特性，韌性較純PAM水凝膠提升36倍至1.45MJ/m3，機(jī)械強(qiáng)度6-300kPa可調(diào)，能模擬多種生物組織力學(xué)性能，100次拉伸循環(huán)后完全恢復(fù)，在手術(shù)訓(xùn)練、植入設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用潛力廣泛。

WHY—為什么采用乳清蛋白制備雙網(wǎng)絡(luò)DN-WMGH水凝膠？

采用乳清蛋白制備雙網(wǎng)絡(luò)DN-WMGH水凝膠，因其具良好生物相容性，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示存活率超96%；可通過蛋白-多糖相分離法精準(zhǔn)調(diào)控微凝膠尺寸至1-20μm，適配25G噴嘴實(shí)現(xiàn)200μm高分辨率打��；其微凝膠三維網(wǎng)絡(luò)作為“犧牲相”與PAM網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，使韌性提升36倍且強(qiáng)度6-300kPa可調(diào)，能模擬多種組織力學(xué)性能，同時(shí)乳清蛋白pH敏感性解決支撐浴移除與回收問題，來源廣泛制備簡便。

HOW—研究團(tuán)隊(duì)提出一種于乳清蛋白微凝膠的高分辨率 3D 打印材料體系及其雙網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)。

近年來，3D打印軟材料在組織工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)水凝膠打印存在形狀保持難題，顆粒水凝膠雖具剪切稀化等優(yōu)勢，卻因微凝膠尺寸大導(dǎo)致分辨率低、機(jī)械性能弱。引入雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)性能，但缺乏力學(xué)調(diào)控方法且生物聚合物基微凝膠不足。該研究開發(fā)基于乳清蛋白微凝膠的DN-WMGH，通過相分離法制備1-20 μm可控尺寸微凝膠，實(shí)現(xiàn)200 μm高分辨率打印，調(diào)控微凝膠尺寸使力學(xué)強(qiáng)度在6-300 kPa可調(diào)，結(jié)合嵌入式打印技術(shù)，為組織模擬應(yīng)用提供新途徑。

圖1 均勻且尺寸可控的乳清蛋白微凝膠的表征

圖1主要展示了均勻且尺寸可控的乳清蛋白微凝膠的制備及表征過程：通過蛋白-多糖相分離法制備乳清蛋白微凝膠，經(jīng)熱處理形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可通過調(diào)整蛋白與多糖體積比將微凝膠平均尺寸控制在1、6和20 μm，其表面粗糙且內(nèi)部多孔；將微凝膠懸浮液經(jīng)離心堵塞后制備顆粒水凝膠（WMGH），共聚焦顯微鏡觀察顯示，隨著微凝膠尺寸減小，WMGH的堆積密度增加，孔隙率從21.2%降至15.7%，平均孔徑從61.6 μm2減小至22.6 μm2，這種結(jié)構(gòu)使WMGH墨水具備高分辨率打印能力。

圖2 顆粒水凝膠（WMGH）墨水的流變行為與可注射性能

圖2主要探究了乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的流變行為與可注射性能：所有WMGH墨水均呈現(xiàn)剪切稀化特性，且微凝膠尺寸越小，黏度和儲存模量（G'）越高（如WMGH-1的G'達(dá)5500 Pa），并在高低應(yīng)變循環(huán)中展現(xiàn)快速自愈合能力；通過22G噴嘴擠出測試發(fā)現(xiàn)，較小尺寸的WMGH-1和WMGH-6在更寬壓力范圍（40–100 kPa）內(nèi)可形成連續(xù)光滑絲材，而WMGH-20因堆積密度低僅在窄壓力區(qū)間（30–60 kPa）維持絲材形態(tài)，該流變特性使WMGH墨水在3D打印中兼具高分辨率與形狀保持能力。

圖3 乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的 3D 打印性能

圖3主要展示了乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的3D打印性能：打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)顯示，WMGH-1和WMGH-6的墨水擴(kuò)散率僅7.3%和8.0%，窗口打印性達(dá)1.3，顯著優(yōu)于WMGH-20（擴(kuò)散率40.3%，打印性0.52）；垂直圓柱結(jié)構(gòu)測試中，前兩者高度保持率接近100%，展現(xiàn)出色的層間堆積穩(wěn)定性；此外，利用WMGH-6成功打印人耳和主動脈瓣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了其高形狀保真度和復(fù)雜構(gòu)造能力，解決了傳統(tǒng)顆粒水凝膠打印分辨率低、結(jié)構(gòu)易坍塌的問題。

圖4 DN-WMGH 水凝膠的力學(xué)性能調(diào)控

圖4主要呈現(xiàn)了3D可打印雙網(wǎng)絡(luò)乳清蛋白顆粒水凝膠（DN-WMGH）的力學(xué)性能：相比純聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠，DN-WMGH的拉伸強(qiáng)度和韌性顯著提升，其中DN-WMGH-1的韌性達(dá)1.45 MJ/m3（提升36倍），楊氏模量隨微凝膠尺寸減小從0.06 MPa增至0.24 MPa；循環(huán)拉伸測試中，所有DN-WMGH在100%應(yīng)變下經(jīng)100次循環(huán)后形狀和強(qiáng)度完全恢復(fù)，壓縮測試顯示其可承受85%應(yīng)變并快速回彈；SEM圖像表明微凝膠均勻分布于PAM基質(zhì)中形成致密雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能量耗散機(jī)制歸因于微凝膠網(wǎng)絡(luò)的 sacrificial bonds 斷裂與PAM網(wǎng)絡(luò)的變形協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的寬范圍調(diào)控與高耐久性。

圖5 DN-WMGH 水凝膠的力學(xué)機(jī)制與實(shí)際負(fù)載能力

圖5主要闡述了DN-WMGH水凝膠的力學(xué)機(jī)制與實(shí)際應(yīng)用能力：通過示意圖揭示其拉伸/壓縮時(shí)乳清蛋白微凝膠網(wǎng)絡(luò)作為犧牲結(jié)構(gòu)斷裂、PAM網(wǎng)絡(luò)協(xié)同變形的能量耗散機(jī)制；3D打印的DN-WMGH結(jié)構(gòu)（如65%填充率的條帶）可重復(fù)提起500g重物而無損傷，低填充率（25%）網(wǎng)格也能承受50g負(fù)載；高縱橫比空心圓柱壓縮至80%應(yīng)變后可完全恢復(fù)，壓縮循環(huán)中滯后環(huán)極小，且三尖瓣模型在外力下能正常開啟，驗(yàn)證了其優(yōu)異的負(fù)載能力、彈性與功能模擬性能。

圖6 基于 WMGH 的 “微凝膠中微凝膠” 嵌入式 3D 打印技術(shù)

圖6主要介紹了基于WMGH的“微凝膠中微凝膠”嵌入式3D打印技術(shù)：通過離心制備WMGH支撐浴，其流變性能可調(diào)，可兼容藻酸鹽、明膠等多種墨水，在22G噴嘴打印中實(shí)現(xiàn)直徑接近 nozzle 的高精度絲材；支撐浴可通過pH調(diào)節(jié)或PBS洗滌移除，且微凝膠經(jīng)洗滌離心后可重復(fù)利用；利用該技術(shù)成功打印鼻軟骨和三尖瓣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中三尖瓣模型在外力下可正常開啟，展現(xiàn)了高形狀保真度與功能模擬能力，解決了傳統(tǒng)支撐浴不可回收及殘留化學(xué)物質(zhì)的問題。

圖7 DN-WMGH 水凝膠的體外細(xì)胞相容性

圖7主要評估了DN-WMGH水凝膠的體外細(xì)胞相容性：通過直接接觸法和細(xì)胞封裝實(shí)驗(yàn)，Alamar Blue檢測顯示與DN-WMGH共培養(yǎng)的人真皮成纖維細(xì)胞代謝活性隨時(shí)間顯著提升，與對照組無顯著差異；Live/Dead染色表明，無論是直接接觸還是封裝在水凝膠中，細(xì)胞存活率均超過96%，且細(xì)胞形態(tài)正常、增殖良好，證實(shí)DN-WMGH具有低細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如組織工程和藥物輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了安全性依據(jù)。

結(jié)論：在這項(xiàng)工作中作者團(tuán)隊(duì)開功開發(fā)了由尺寸可控（1、6、20 μm）的乳清蛋白微凝膠組成的顆粒水凝膠（WMGH），通過調(diào)節(jié)打印速度和壓力，WMGH墨水可像連續(xù)液體墨水一樣拉伸，利用25G噴嘴實(shí)現(xiàn)了200 μm的高分辨率3D打印，墨水?dāng)U散率約5%，并能高精度打印人耳、主動脈瓣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。將WMGH與聚丙烯酰胺第二滲透網(wǎng)絡(luò)結(jié)合形成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（DN-WMGH），其韌性較純PAM水凝膠提高36倍，達(dá)1.45 MJ/m3，機(jī)械強(qiáng)度可在6–300 kPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且在100%應(yīng)變下經(jīng)100次拉伸循環(huán)后能完全恢復(fù)。借助創(chuàng)新的“微凝膠中微凝膠”嵌入式3D打印技術(shù)，DN-WMGH可自由成型復(fù)雜的鼻側(cè)軟骨結(jié)構(gòu)，兼具高形狀保真度和優(yōu)異機(jī)械性能。這種可拉伸、機(jī)械性能強(qiáng)且耐用的DN-WMGH水凝膠，結(jié)合天然生物聚合物微凝膠的生物相容性和高分辨率3D打印能力，在手術(shù)訓(xùn)練、傷口管理、可穿戴和植入設(shè)備以及藥物輸送系統(tǒng)等需要類似組織機(jī)械性能的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smtd.202402103