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用于高分辨率生物打印的新型(PNIPAAm)基双凝胶墨水

本文介绍了一种用于高分辨率生物打印的新型聚 N - 异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)基双凝胶墨水和热可逆泊洛沙姆支撑浴系统。该墨水通过快速热凝胶化和自发共价交联反应,结合支撑浴在水合加热环境中维持结构,可产生直径 80-200μm 的均匀纤维多层结构。研究通过流变学分析、打印实验和细胞兼容性测试,阐明了打印因素间的关系,证明了该系统在无细胞和细胞负载支架高分辨率打印中的能力,为挤压基生物墨水与支撑浴的打印研究提供了新方向。

一、研究背景与目的

<挤压生物打印的挑战<:传统挤压打印因墨水高粘度(10s-1000s Pa・s)限制喷嘴尺寸,难以实现百微米以下分辨率。

<创新解决方案<:开发 PNIPAAm 基双凝胶墨水与泊洛沙姆支撑浴系统,利用热凝胶化和共价交联,结合支撑浴维持结构,提升打印分辨率。

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二、材料设计与制备

<热凝胶大分子(TGM)合成<

<组成:NIPAAm(86.5 mol%)、GMA(7.5 mol%)、DBA(3.5 mol%)、AA(2.5 mol%),AIBN 引发剂。<

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

<交联剂(PAMAM)合成<:MBA 与哌嗪(3:4 molar ratio)反应,Mn=1776 Da。

<墨水与支撑浴制备<

墨水:TGM 与 PAMAM 按 4:3 质量比混合,浓度 17.5%-35% w/v。

浴:泊洛沙姆 F-108 溶于水,浓度 25%-35% w/v。

三、关键实验方法

流变学分析

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

模量:浴 G' 为 7.5-17 kPa(25%-35% 浓度),yield stress 57.4-174.6 Pa。

打印实验

设备:Cellink BIO X 3D 打印机,喷嘴 25G-32G。

条件:墨水 12.5℃,浴 37℃,打印压力 5-35 kPa。

评估:纤维直径、孔隙 Pr score、形状 / 面积均匀性。

细胞兼容性

leachables assay:L929 细胞 viability>80%(1X-100X 稀释)。

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

四、主要结果

指标结果纤维直径80-200 μm(27G-32G 喷嘴),随墨水浓度增加而增大孔隙 Pr score27G 组 > 1.0,32G 组 35% 墨水组显著升高形状均匀性27G 组 > 0.8,32G 组 35% 墨水组降低面积均匀性27G 组 > 0.9,32G 组 17.5% 墨水低浓度浴降低弹性模量17.5% 墨水:9.5±3.4 kPa;35% 墨水:12.0±4.8 kPa

五、结论与意义

技术突破:实现 10s 微米级分辨率,大支架(5 mm 高)打印成功。

材料优势:双凝胶机制结合泊洛沙姆浴,兼顾结构稳定性与细胞兼容性。

应用前景:为骨软骨组织工程提供高分辨率支架,推动热凝胶材料在生物打印中的应用。

关键问题

1. 该研究中双凝胶墨水的交联机制是什么?

答案:双凝胶墨水基于 PNIPAAm 的热凝胶化和 PAMAM 交联剂的共价交联。PNIPAAm 在高于 LCST(25.5℃)时快速热凝胶化,形成物理网络;同时,PAMAM 与 TGM 中的 GMA 环氧基团发生胺 - 环氧反应,形成共价交联网络,增强机械性能并防止脱水收缩。

2. 泊洛沙姆支撑浴在打印中的关键作用是什么?

答案:泊洛沙姆支撑浴在 37℃形成凝胶,为低粘度墨水提供机械支撑,维持挤出纤维的形状 fidelity。浴具高储能模量(7.5-17 kPa)和 yield stress(57.4-174.6 Pa),可自愈合并传导热量,确保墨水快速热凝胶化,同时维持水合环境适合细胞培养。

3. 该系统实现的打印分辨率如何,细胞兼容性表现怎样?

答案:打印分辨率可达纤维直径 80-200 μm,孔隙形状均匀性 > 0.8。细胞兼容性方面,leachables 无毒性,打印后 3 h 和 24 h 细胞 viability 约 43%,表明系统可用于细胞负载支架打印,虽 viability 有待提升,但证明了可行性。

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