2025年,科学类期刊《Advanced Science》发表了关于水凝胶4D打印方面的研究性论文,论文标题为:
"Facile Single-Nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient"
发表时间:2025年7月14日
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202509449
作者:Jiahui Lai, Tiandi Xiong, Shangsi Chen 等
研究背景
4D打印作为集成时间维度的先进制造技术,已成为构建动态可变结构的研究热点,尤其在组织工程与再生医学领域展现出巨大潜力。水凝胶因其与天然组织相似的高含水性、生物相容性和可打印性而广泛用于4D生物打印中。
然而,实现水凝胶结构的高效变形控制仍面临挑战,特别是在厚度分布、响应均匀性和结构复杂性方面。纳米复合水凝胶的引入为改善其响应性和力学性能提供了新思路,但目前多数策略依赖复杂多材料系统或精密设备,限制了其在实际生物应用中的可推广性。
因此,作者开发了一种结构简单、响应可控、易于打印且具备梯度变形能力的单一纳米复合水凝胶体系,对推动4D生物打印技术在智能组织构建与再生工程中的发展具有重要意义。
研究内容
图1展示了作者所提出的基于厚度控制的4D生物打印策略,其核心在于利用含有甲基丙烯酰(GelMA)、明胶和二维金属碳/氮化物(MXene)的智能水凝胶(MX/GG水凝胶),通过单次紫外曝光在打印结构中形成不同厚度区域,从而产生交联度的梯度。该梯度引发空间各向异性的溶胀行为,使得结构在水化后可实现单向或双向的可控弯曲变形。
图1利用直写生物3D打印机打印具有可编程的湿度响应性3D变形的载有细胞的MX/GG水凝胶的4D生物打印的示意图
作者首先探究了通过单次UV照射在MX/GG水凝胶条中构建交联梯度,从而实现湿度触发的自弯曲形状变形行为,相关结果如图2所示:
图2(b–d):增加GelMA浓度、延长UV照射时间及提高光引发剂浓度均会降低水凝胶条的弯曲角度。
图2(e):引入MXene可显著增强水凝胶条的弯曲能力,这是因为其优异的紫外吸收性能促进了更大的交联梯度形成。
图2(f–g):外部环境对形变能力的影响——在细胞培养液和37°C条件下,水凝胶弯曲程度均有所降低。
图2(h):MXene浓度为5.0 mg/mL的5.0MX/GG水凝胶在室温下可维持弯曲状态至少两周。
图2(i):SEM图像证实了交联梯度的存在,靠近UV光源的顶部区域(H-XLR)结构更致密、孔隙率更低,底部区域(L-XLR)则相反。
图2(j–m):通过有限元分析(FEA)进一步验证了该交联梯度设计策略的有效性,模拟弯曲结果与实验一致。
图2 MX/GG水凝胶的形状变形行为的优化和潜在机制的阐明
随后,作者研究了MXene浓度为1.0 mg/mL的1.0 MX/GG水凝胶厚度调控形状变形的能力,相关结果如图3所示:
图3(b):不同厚度的条状水凝胶在去离子水中表现出显著弯曲差异。
图3(c):弯曲方向具有厚度依赖性——0.25 mm和0.5 mm的水凝胶向一个方向弯曲,0.75 mm和1.0 mm的水凝胶向相反方向弯曲。
图3(d):SEM图像揭示沿厚度方向可形成交联梯度区域(H-XLR与L-XLR),较薄水凝胶中H-XLR占主导,较厚水凝胶中L-XLR为主,导致弯曲方向不同。
图3(f–k):有限元仿真结果与实验结果一致,模拟出不同厚度水凝胶条在相同UV照射下的不同弯曲行为。
图3 4D打印的MXene浓度为1.0 mg/mL的1.0 MX/GG水凝胶条的厚度(t)依赖性自弯曲行为和潜在的H-XLR/L-XLR比率依赖性形状变形机制
最后,作者展示了利用厚度编码策略实现的多方向自弯曲复杂结构的4D打印实例,验证了该策略在生物仿生结构构建中的适用性,相关结果如图4、图5所示:
图4(a):模拟珊瑚虫形态的打印构型,在去离子水中膨胀后可自发形成环状主体和外展足部。
图4(b):减小主体厚度和足宽后,结构变形成类似蜈蚣的形态,与有限元模拟预测一致。
图4(c–d):类蟹和类蝎结构的打印及形变效果,均由单次UV曝光下的厚度梯度驱动,与FEA模拟结果高度一致。
图5:载细胞MX/GG水凝胶的4D生物打印验证——1.0MX/GG水凝胶支架可支持PC12细胞的高存活率和增殖(图5b–h),载PC12细胞的自弯曲结构在体外培养7-14天可实现细胞分化(图5i–o),载HUVEC细胞的自弯曲结构在14天培养中维持弯曲能力且细胞形态正常(图5p–r)。
图4 FEA模拟引导的结构的4D打印,其具有响应于湿度的单向自弯曲(从左到右:CAD设计、FEA模型、模拟自弯曲行为、打印图案及变形后3D结构照片,包括三臂夹持器、四臂夹持器、五瓣花)
图5载细胞MX/GG水凝胶的4D生物打印
研究结论
1.材料体系创新: 开发了具有可编程形变能力的MX/GG智能水凝胶材料体系,通过将MXene引入GelMA明胶水凝胶中,赋予材料优异的紫外吸收、电导率和生物相容性,促进了交联梯度的形成,提升了整体形变性能。
2.打印策略突破: 提出并验证了一种基于厚度调控的简便4D生物打印策略,通过控制打印结构的厚度,在单次UV照射下实现交联梯度调控,进而实现可预测的单向或双向自弯曲行为,无需复杂多材料系统或精密设备。
3.应用潜力验证: 实现了多个仿生结构的4D打印,展现多样形变能力,成功构建了如珊瑚虫、蜈蚣、螃蟹、蝎子等多种复杂形态的仿生结构;同时验证了载细胞水凝胶的生物相容性,证明该策略在动态生物结构构建(如组织工程支架)中的广泛适用性。
3D打印机功能应用分析
全面解析森工DIW墨水直写3D打印机在该类研究中功能匹配情况及需定制功能,帮助用户更好地选择合适的3D打印设备及功能模块。
该研究中涉及的3D打印策略
1、森工可匹配模块:
1)、多通道常温头打印搭载压力精准调节模块通过气压或机械挤压控制墨水挤出量,保证打印线条的均匀性;
2)、光固化辅助成型:该模块辅助配备365nm/385m/395m/405m多种波长范围,有效辅助含光引发剂直写材料的辅助固化成型。
2、需定制的模块:
低氧低温密闭洁净台系统:密封腔室整合氮气/二氧化碳置换系统,动态调节气体成分,结合HEPA H14级无菌过滤,为细胞生长提供合适的温度及洁净空间,避免二次污染。
小编对该类研究的拓展设想
1、拓展思路:
1)、 更精细化纳米级的支架打印,可以使用静电纺丝/近场直写模块打印;
2)、高性能组织支架修复材料(如PCL等),需高温打印材料,可使用高温喷头模块打印;
3)、 细胞培养液移液,可升级多通道打印头,实现协同打印和细胞液滴入。
2、涉及模块介绍:
1)、静电纺丝模块: 配置高压静电场,为生物溶液实现纳米级支架打印;
2)、高温喷头模块: 室温~300℃,喷头料筒满载容量10cc,独立分布式控温,打印材料在料筒及针尖均可实现精确温控;
3)、多通道打印头:2-4通道设计,可装载多材料进行协同/并联打印,如通过设备移液功能,同时进行细胞溶液滴入,提高实验效率。
由于小编学识所限,文中内容难免存在疏漏或不足之处。若您发现任何错误或值得商榷的观点,恳请不吝指正,小编将第一时间修正完善。感谢您的包容与支持!
本文内容来源于网络公开素材,发布的目的在于学术交流、研讨分享,
如相关内容涉及侵权,请联系我们,将第一时间下架内容!