【文献解读】Acta Biomater可注射的自愈合壳聚糖水凝胶用于3D打印

剪切变稀和刺激响应性是水凝胶能用于3D打印所需的基本性质，前者能使水凝胶在剪切力作用下完成打印并在挤出时恢复机械性能；后者通过打印后所施加的理化刺激来固定水凝胶结构。而在生物医用领域，自愈合水凝胶由于有稳定的流变性质和后交联特性而广泛用于药物载体和3D打印组织结构的生物墨水。为了提高打印的保真度和流畅性，基于动态可逆交联的可注射自愈合水凝胶开始用于3D打印，尤其是对甲基丙烯酸酯聚合物如丙烯酸甲酯壳聚糖，UV交联后的水凝胶还能有更好的形貌结构和细胞相容性。

为了解决壳聚糖基自愈合水凝胶模量增加和结构坍塌的难题，来自台湾国立大学徐善慧教授课题组制备了一种可见光交联的自愈合水凝胶（CPDP），他们将苯酚改性的壳聚糖（Chi-Ph）（图1）和二苯甲醛封端的远螯聚乙二醇（DF-PEG）结合，在氨基和醛基间形成可逆的亚胺键（图2A），光固化后Chi-Ph链的醛基间还能形成不可逆结合。CPDP水凝胶还能在注射器中预成型并连续挤出而用于3D打印（图2B）。实验结果表明，改性后的壳聚糖能显著改善原本自愈合水凝胶的理化性质，进一步扩展壳聚糖在生物医学领域的应用。

图1. Chi-Ph的合成和表征。

亚胺结合的水凝胶有优异的自愈合和自适应性，放置一段时间后能得到更均匀和光滑的形貌，切成毫米级的片段也能在数小时内回复原状，且这种破坏-重塑过程能在不同形状下循环实现。（图2C）

作者进一步表征了自愈合水凝胶最重要的流变学性质（图2D-F）。结果表明，CPDP水凝胶能快速达到凝胶点（50 s内）和平衡模量，在较宽的剪切应变范围内表现出临界凝胶的性质。与传统的GCDP水凝胶相比，本文制备的CPDP水凝胶缩短了凝胶时间，提升了储能模量，在较长的凝胶时间内都能保持模量平衡。交替应力下CPDP凝胶还能实现溶胶-凝胶转变。为了解释这一独特的流变性质，作者构建了原子模型来研究水凝胶的凝胶过程（图2G-H）。结果表明，Chi-Ph中的苯酚基团和DF-PEG中的苯甲醛基团间形成的π-π堆叠结构会缩短Chi-Ph和DF-PEG链间距离，促进交联过程，尤其是在初始凝胶阶段有利于实现快速凝胶；这种相互作用还能和动态亚胺键结合改善水凝胶的性质。

图2. CPDP水凝胶的可注射性和自愈合性。

不仅如此，可见光还能促进Chi-Ph链上苯酚基团间的相互作用（图3），双交联结构的形成能提升水凝胶的结构稳定性和力学性能，其生物相容性依旧保持（图4），但双交联结构会抑制细胞迁移过程，且切碎后只能部分保持自愈合性。作者将光交联后的CPDP水凝胶用于3D打印的生物墨水，在两块水凝胶间观察到瞬时粘附和愈合过程。通过改变打印参数，降低材料中的屈服应力，能提升打印过程中水凝胶承载干细胞的存活率（图5）。

图3. CPDP水凝胶的可见光交联过程。

图4. 光交联对CPDP水凝胶生物相容性的影响。

图5. 3D打印光交联CPDP水凝胶的过程。

1.通过部分取代壳聚糖上的氨基能破坏壳聚糖分子内和分子间氢键并降低结晶度，使壳聚糖在中性的水和缓冲液中可溶；

2.Chi-Ph的独特性质为水凝胶中的多重相互作用提供可能性；

3.水凝胶的凝胶性质和力学性质能通过改变Chi-Ph浓度、光交联条件而调控，可调控的过程有利于固定水凝胶的形貌结构；

4.不同于传统剪切变稀的水凝胶难以保持堆叠结构，本文中的自愈合性使CPDP水凝胶能快速恢复其初始的粘弹性，打印出堆叠结构，并有望制备尺寸更大、形状明确的3D结构；

5.CPDP水凝胶还能和功能基团如纳米粒子/聚合物等结合，优化打印过程。

本文用壳聚糖制备的CPDP水凝胶能快速凝胶且结构稳定，可见光交联能进一步增强水凝胶的力学性能并能用于3D打印的生物墨水，其自愈合性和粘附性使打印的水凝胶能组装成完整结构。这种模块化的3D打印过程有望将软物质组装成多种结构材料。

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.12.051