用于高分辨率生物打印的新型（PNIPAAm）基雙凝膠墨水的介紹
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，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。
一、研究背景與目的
- 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。
- 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
- 熱凝膠大分子（TGM）合成
- 組成：NIPAAm（86.5 mol%）、GMA（7.5 mol%）、DBA（3.5 mol%）、AA（2.5 mol%），AIBN 引發(fā)劑。
- 特性：LCST onset 19.9±0.7℃，peak 25.5±1.0℃，分子量 Mn=19849 Da，PDI=2.76。
- 交聯(lián)劑（PAMAM）合成：MBA 與哌嗪（3:4 molar ratio）反應，Mn=1776 Da。
- 墨水與支撐浴制備
- 墨水：TGM 與 PAMAM 按 4:3 質(zhì)量比混合，濃度 17.5%-35% w/v。
- 浴：泊洛沙姆 F-108 溶于水，濃度 25%-35% w/v。
三、關(guān)鍵實驗方法
- 流變學分析
- 粘度：TGM 墨水 < 1 Pa・s（12.5℃），浴在 37℃具剪切稀化特性。
- 模量：浴 G' 為 7.5-17 kPa（25%-35% 濃度），yield stress 57.4-174.6 Pa。
- 打印實驗
- 設(shè)備：Cellink BIO X 3D 打印機，噴嘴 25G-32G。
- 條件：墨水 12.5℃，浴 37℃，打印壓力 5-35 kPa。
- 評估：纖維直徑、孔隙 Pr score、形狀 / 面積均勻性。
- 細胞兼容性
- leachables assay：L929 細胞 viability>80%（1X-100X 稀釋）。
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
| 指標 | 結(jié)果 |
| 纖維直徑 | 80-200 μm（27G-32G 噴嘴），隨墨水濃度增加而增大 |
| 孔隙 Pr score | 27G 組 > 1.0，32G 組 35% 墨水組顯著升高 |
| 形狀均勻性 | 27G 組 > 0.8，32G 組 35% 墨水組降低 |
| 面積均勻性 | 27G 組 > 0.9，32G 組 17.5% 墨水低濃度浴降低 |
| 彈性模量 | 17.5% 墨水：9.5±3.4 kPa；35% 墨水：12.0±4.8 kPa |
五、結(jié)論與意義
- 技術(shù)突破：實現(xiàn) 10s 微米級分辨率，大支架（5 mm 高）打印成功。
- 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。
- 應用前景：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，形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強機械性能并防止脫水收縮。
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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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，形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，增強機械性能并防止脫水收縮。
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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