热点资讯3D打印具有功能性表面结构的坚韧水凝胶支架用于组织再生
3D打印具有功能性表面结构的坚韧水凝胶支架用于组织再生
水凝胶支架在组织工程领域具有广泛的应用前景。然而兼具生物相容性与高机械性能的坚韧水凝胶支架在体内植入方面的研究鲜有报道。受中国拉面工艺启发，我们提出了一种通用制备方法（印刷-P、训练-T、交联-C，PTC&PCT）来填补这一空白。首先通过3D打印制备具有特定结构的水凝胶支架（P）；随后借助盐析辅助的循环机械训练（T），使支架获得超高力学性能及功能性表面结构；最后通过光交联处理（C）固定训练成果。这种坚韧的明胶水凝胶支架展现出6.66 MPa的优异拉伸强度（较未处理样品提升622倍），同时具备出色的生物相容性。该支架还具有从纳米级到微米级直至毫米级的功能性表面结构，可有效诱导细胞定向生长。值得注意的是，通过改变盐类品种，该策略可制备出具有10 kPa-10 MPa力学性能的仿生人体组织，且明胶、丝素蛋白等多种水凝胶材料均可通过PTC或PCT策略实现性能提升。动物实验表明，该支架能在4周内有效促进肌纤维、血管与神经的新生，加速大体积肌肉缺损的快速再生。
这篇受中国拉面工艺启发的水凝胶支架研究，核心创新点如下：
首创“印刷-训练-交联”（PTC/PCT）仿生制备策略：受拉面工艺启发，提出三步法，即通过 3D 打印印刷初始结构、盐析辅助循环机械训练诱导分子链定向排列、光交联固定结构形貌，且策略灵活，可调整步骤顺序适配不同材料。
实现生物相容性与力学性能协同突破：拉伸强度达 6.66MPa，较未处理样品提升 622 倍；基于天然材料，生物安全性满足体内植入要求；改变盐类种类可精准调控力学性能（10kPa–10MPa），覆盖多种组织仿生需求。
构建多级功能性表面结构诱导细胞定向：训练中同步形成多尺度表面拓扑结构，有效引导细胞定向排列与生长，模拟 ECM 生物学功能。
验证广泛材料普适性与组织修复效能：策略成功扩展至多种水凝胶体系；动物实验证实支架植入 4 周内可同步促进肌纤维、血管、神经再生。
突破性价值：通过仿生工艺创新（PTC/PCT 策略），首次在单一水凝胶支架中协同实现：类拉面工艺定向增强攻克“高强-生物相容”难题；多级拓扑结构原位成型解决细胞定向引导与组织有序再生需求；宽范围力学性能精准定制匹配多样化人体组织仿生重建；神经/血管/肌纤维同步再生为大体积缺损修复提供一体化方案。此工作为组织工程支架设计开辟仿生制备新范式，提供材料-结构-功能协同优化方案。
研究背景
过去几十年，水凝胶支架因高含水量和可定制结构，广泛应用于组织再生领域，如皮肤修复、药物递送、软骨再生、血管成熟等。理想植入材料应与目标组织力学特性相似，天然来源水凝胶（如明胶、胶原蛋白等）因生物学功能被广泛使用，但多数力学性能差，如明胶、海藻酸盐和透明质酸不到10 kPa，壳聚糖不到20 kPa，限制了其在修复坚韧软组织方面的应用。
许多研究致力于改善水凝胶力学性能，如非共价增强化学交联、互穿网络、机械拉伸、冷冻铸造等方法。强氢键相互作用和纳米通道约束可实现快速自增强；冷冻铸造和盐析可制备高度各向异性水凝胶；重复机械加载能改善物理交联水凝胶力学性能；将含咪唑的聚天冬酰胺与耗能双网络结合可研制出坚韧粘性水凝胶。但多数方法无法用于生物水凝胶或不利于定制结构。
针对挑战的研究较少，赵等人报道了可3D打印且高拉伸的坚韧水凝胶，光引发聚合和引入氢键增强也制备出可生物降解高强度水凝胶，但生物级水凝胶因成分复杂和制备繁琐限制了应用。本文提出策略可轻松制造具定制结构且类似天然组织成分的坚韧水凝胶支架，拓展组织工程修复方法。
受中国拉面启发，我们提出新策略：先3D打印制备初始水凝胶支架，再循环机械训练和盐析辅助处理获高力学性能，最后光交联固定结果。该支架拉伸强度高达6.66 MPa，是未处理材料的622倍，韧性高达1162.71 kJ・m⁻³，有功能性表面结构，能诱导细胞定向生长，改变盐类型可制备力学性能在10 kPa - 10 MPa范围内的仿生人体组织支架。许多水凝胶可通过PTC或PCT策略改进，以明胶基水凝胶为例验证了其在快速修复大面积肌肉组织缺损方面的可行性，该策略为制备高强度水凝胶支架提供通用方法，有望成为组织再生工程常用方法。
研究流程
水凝胶溶液制备
甲基丙烯酰化明胶水凝胶购自苏州永沁泉公司。先用PBS制0.3%LAP溶液，将2g水凝胶加入50mL尖底离心管，倒入25mL LAP溶液，50°C水浴至溶解，移入10cc点胶注射器，20 - 30°C烘箱储存备用。
流变学表征
用Anton Paar MCR302旋转流变仪（20mm平行板）在37°C和室温下测试水凝胶，溶剂陷阱确保温度稳定。0.5mL水凝胶37°C孵育后测剪切粘度（5 - 50s⁻¹梯度剪切速率）、应变扫描（1%振幅，5 - 50rad/s），5 - 45°C测G'和G''证明低温可打印性，5rad/s和1%应变下原位光流变测光敏特性，1Hz测G'和G''。用MCR102温度扫描流变仪测GelMA温度敏感性，45°C平衡后以2°C/min降至5°C（5rad/s，1%应变），测5°C时G'及凝胶 - 溶胶转变温度，同样条件原位光流变测光敏特性，1Hz测G'和G''。
水凝胶支架打印
G代码由EFL_PotatoE软件生成，用BP6601Pro生物打印机打印，打印桶温20 - 30°C，平台温10 - 15°C，打印后2 - 8°C冰箱储存待强化。
水凝胶强化
定制两个无盖矩形亚克力盒，分别装50%硫酸铵溶液和PBS溶液，搭建自动循环训练强化设备。将未交联水凝胶固定在拉伸夹具上，在硫酸铵溶液中循环拉伸，PBS溶液中放置，循环后用405nm UV固化灯固化得超强水凝胶。
模拟分析方法
用Materials Studio的DMol3模块模拟，建水凝胶原子结构，广义梯度近似（GGA）用PBE泛函，基组DNP4.4，设收敛误差（能量2×10⁻⁵Ha，最大力0.004Ha·Å⁻¹，最大位移0.005Å，步数500）。
力学表征
将样品制成哑铃状（45mm×10mm×2mm），用电子万能试验机（UTM2102）以5mm/min速度拉伸。韧性通过应力 - 应变曲线积分计算，法向应力为记录力除以初始横截面积，应变为测量距离除以初始距离。
含水量测量
比较60°C干燥24h前后重量测含水量，公式：（m0 - ma）/m0 × 100%（m0为干燥前重量，ma为干燥后重量）。
剪切变稀分析
用MCR102流变仪测GelMA溶液（5 - 50rad/s剪切速率，24 - 26°C打印窗口）证明剪切变稀特性。
溶胀测试
用PBS，称重法评估GelMA溶胀能力。打印水凝胶支架，37°C用2mL无菌PBS冲洗，0、2、4、6、12、24h取样，擦干称重，溶胀率=（wa - w0）/w0 × 100%（w0为初始重量，wa为溶胀后重量）。
降解测试
用II型胶原酶加速降解，打印水凝胶支架，37°C用2mL无菌PBS清洗24h称重确定平衡溶胀度，放入含2U/mL II型胶原酶的PBS中，0、0.5、1、2、3、4h取样，擦干称重，计算质量降解率。体内实验将水凝胶支架植入小鼠皮下，7天后取样。
生物相容性分析
C2C12成肌细胞在含10%胎牛血清和1%青霉素 - 链霉素的DMEM中培养。水凝胶支架浸入培养基24h（提取比例3cm²/mL）得提取液。用钙黄绿素 - AM/PI活死细胞染色试剂盒评估细胞活力，荧光显微镜拍照。培养基中加10