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  3D生物打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多細(xì)胞組織器官構(gòu)筑方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。生物3D打印墨水日益成為制約3D打印組織工程領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，其可打印性和物化性能，對(duì)細(xì)胞行為和命運(yùn)的調(diào)控是構(gòu)筑組織器官，實(shí)現(xiàn)再生的關(guān)鍵。水凝膠是含大量水的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)材料，具有類(lèi)細(xì)胞外基質(zhì)的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝膠材料存在凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變慢、支撐強(qiáng)度弱等問(wèn)題，打印精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待改善。光交聯(lián)、增稠劑或支持浴等策略可部分地解決這些難題，但增加了打印工藝的復(fù)雜程度，增大了生物毒性等風(fēng)險(xiǎn)。解決水凝膠材料可打印性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)溫和條件下的快速打印，構(gòu)筑高精度仿生組織工程支架，是生物3D打印領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

  中山大學(xué)付俊教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了由微凝膠生物3D打印墨水，研究發(fā)現(xiàn)，微凝膠可通過(guò)氫鍵組裝為宏觀水凝膠(bulk hydrogel)，具有典型的觸變性能、快速自愈合性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可在常溫條件下直接打印構(gòu)筑復(fù)雜組織工程支架（圖1）。

圖1. 基于甲基丙烯酰化殼聚糖(CHMA)/聚乙烯醇(PVA)的微凝膠水凝膠墨水制備示意圖

  該墨水的關(guān)鍵在于微凝膠之間存在廣泛的氫鍵作用。付俊團(tuán)隊(duì)合成了甲基丙烯酰化殼聚糖（CHMA）/聚乙烯醇(PVA)水凝膠（圖1a,b），并將其可控地破碎成微凝膠（圖2a）。在微凝膠中，PVA-PVA，PVA-CHMA中的羥基與羥基，羥基與氨基等官能團(tuán)間具有強(qiáng)的成氫鍵能力，使得微凝膠組裝成宏觀凝膠。在剪切作用下，微凝膠墨水發(fā)生屈服和凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變（圖2b），應(yīng)力撤消后，又可快速自愈合恢復(fù)（圖2c）。可逆的氫鍵作用賦予CHMA/PVA微凝膠墨水具有可控的剪切變稀（圖3a）、屈服強(qiáng)度（圖3b）和抗蠕變性能（圖3c）。該墨水的流變行為符合Herschel-Bulkley流體特征（圖3d），在擠出過(guò)程中呈塞流流動(dòng)（圖4a），降低了剪切作用對(duì)墨水的擾動(dòng)，提高了微凝膠的穩(wěn)定流動(dòng)（圖4b）。因此，無(wú)需添加增粘劑、支撐骨架和后交聯(lián)處理，利用該墨水即可一步實(shí)現(xiàn)類(lèi)血管、人耳、股骨等多種大長(zhǎng)徑比的仿生結(jié)構(gòu)自支撐擠出打印（圖5）。體外細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，該水凝膠的化學(xué)微環(huán)境有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在支架上成細(xì)胞球（圖6a）并保持高活性生長(zhǎng)（圖6 b, c），這為該支架體系在皮膚、軟骨等組織工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2. 微凝膠墨水的(a)粒徑與形態(tài)，(b)剪切屈服，(c) 快速凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變與自愈合

圖3. 流變表征微凝膠墨水的屈服流動(dòng)行為：(a)剪切速率掃描粘度變化，(b)剪切應(yīng)力掃描的屈服應(yīng)力， (d)蠕變與恢復(fù)，(c) Herschel-Bulkley流動(dòng)分析

圖4. 基于Herschel-Bulkley流動(dòng)分析微凝膠墨水在擠出打印針頭中的塞流流動(dòng)特征：(a)剪切速率分布，(b) 流動(dòng)速度分布 

圖5. 自支撐高保真打印仿生高長(zhǎng)徑比仿生組織：(a, b)類(lèi)血管結(jié)構(gòu)，(c) 大鼠股骨，(d)人耳廓結(jié)構(gòu)

圖6. CHMA/PVA水凝膠支架支持干細(xì)胞成球生長(zhǎng)：(a) 共聚焦顯微鏡熒光表征細(xì)胞形態(tài)，(b)細(xì)胞增殖數(shù)目與(c)細(xì)胞球黏附面積統(tǒng)計(jì)分析

  該研究成果以“Direct 3D Printed Biomimetic Scaffolds Based on Hydrogel Microparticles for Cell Spheroid Growth”為題，作為Frontispiece論文發(fā)表于Advanced Functional Materials 2020，30（13）1910573 。博士生張華為第一作者，付俊教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(51873224, 51803227)、浙江省自然科學(xué)基金(LY17E030011、LQ19E030010)、寧波市自然科學(xué)基金(2017A610232)、浙江大學(xué)高分子合成與功能構(gòu)造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2018MSF04)的支持。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910573