用于高分辨率生物打印的新型（PNIPAAm）基雙凝膠墨水

來源：發(fā)布時間：2025-06-20

本文介紹了一種用于高分辨率生物打印的新型聚 N - 異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）基雙凝膠墨水和熱可逆泊洛沙姆支撐浴系統(tǒng)。該墨水通過快速熱凝膠化和自發(fā)共價交聯(lián)反應(yīng)，結(jié)合支撐浴在水合加熱環(huán)境中維持結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生直徑 80-200μm 的均勻纖維多層結(jié)構(gòu)。研究通過流變學(xué)分析、打印實驗和細胞兼容性測試，闡明了打印因素間的關(guān)系，證明了該系統(tǒng)在無細胞和細胞負載支架高分辨率打印中的能力，為擠壓基生物墨水與支撐浴的打印研究提供了新方向。

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一、研究背景與目的1. 擠壓生物打印的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)擠壓打印因墨水高粘度（10s-1000s Pa?s）限制噴嘴尺寸，難以實現(xiàn)百微米以下分辨率。

2. 創(chuàng)新解決方案：開發(fā) PNIPAAm 基雙凝膠墨水與泊洛沙姆支撐浴系統(tǒng)，利用熱凝膠化和共價交聯(lián)，結(jié)合支撐浴維持結(jié)構(gòu)，提升打印分辨率。二、材料設(shè)計與制備1. 熱凝膠大分子（TGM）合成

1. 組成：NIPAAm（86.5 mol%）、GMA（7.5 mol%）、DBA（3.5 mol%）、AA（2.5 mol%），AIBN 引發(fā)劑。

2. 特性：LCST onset 19.9±0.7℃，peak 25.5±1.0℃，分子量 Mn=19849 Da，PDI=2.76。

2. 交聯(lián)劑（PAMAM）合成：MBA 與哌嗪（3:4 molar ratio）反應(yīng)，Mn=1776 Da。

3. 墨水與支撐浴制備

1. 墨水：TGM 與 PAMAM 按 4:3 質(zhì)量比混合，濃度 17.5%-35% w/v。

2. ?。翰绰迳衬?F-108 溶于水，濃度 25%-35% w/v。三、關(guān)鍵實驗方法1. 流變學(xué)分析

1. 粘度：TGM 墨水 < 1 Pa?s（12.5℃），浴在 37℃具剪切稀化特性。

2. 模量：浴 G' 為 7.5-17 kPa（25%-35% 濃度），yield stress 57.4-174.6 Pa。

2. 打印實驗

1. 設(shè)備：Cellink BIO X 3D 打印機，噴嘴 25G-32G。

2. 條件：墨水 12.5℃，浴 37℃，打印壓力 5-35 kPa。

3. 評估：纖維直徑、孔隙 Pr score、形狀 / 面積均勻性。

3. 細胞兼容性

1. leachables assay：L929 細胞 viability>80%（1X-100X 稀釋）。

2.打印 viability：26.25% 墨水組 3 h viability 43.6±3.2%，24 h 42.3±1.4%。

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四、主要結(jié)果

2. 材料優(yōu)勢：雙凝膠機制結(jié)合泊洛沙姆浴，兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與細胞兼容性。

3. 應(yīng)用前景：為骨軟骨組織工程提供高分辨率支架，推動熱凝膠材料在生物打印中的應(yīng)用。

關(guān)鍵問題

1. 該研究中雙凝膠墨水的交聯(lián)機制是什么？

答案：雙凝膠墨水基于 PNIPAAm 的熱凝膠化和 PAMAM 交聯(lián)劑的共價交聯(lián)。PNIPAAm 在高于 LCST（25.5℃）時快速熱凝膠化，形成物理網(wǎng)絡(luò)；同時，PAMAM 與 TGM 中的 GMA 環(huán)氧基團發(fā)生胺 - 環(huán)氧反應(yīng)，形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強機械性能并防*脫水收縮。

2. 泊洛沙姆支撐浴在打印中的關(guān)鍵作用是什么？

答案：泊洛沙姆支撐浴在 37℃形成凝膠，為低粘度墨水提供機械支撐，維持擠出纖維的形狀 fidelity。浴具高儲能模量（7.5-17 kPa）和 yield stress（57.4-174.6 Pa），可自愈合并傳導(dǎo)熱量，確保墨水快速熱凝膠化，同時維持水合環(huán)境適合細胞培養(yǎng)。

3. 該系統(tǒng)實現(xiàn)的打印分辨率如何，細胞兼容性表現(xiàn)怎樣？

答案：打印分辨率可達纖維直徑 80-200 μm，孔隙形狀均勻性 > 0.8。細胞兼容性方面，leachables 無毒性，打印后 3 h 和 24 h 細胞 viability 約 43%，表明系統(tǒng)可用于細胞負載支架打印，雖 viability 有待提升，但證明了可行性。

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