近期，来自莱斯大学的AntoniosMikos教授团队在Biomaterials发表了文章题为“3DPrintedColloidalBiomaterialsBasedonPhoto-ReactiveGelatinNanoparticles”，发明一种使用光敏明胶纳米粒子作为胶体构建单元，可3D打印且具有形状记忆的新型生物材料。
摘要：基于生物材料的策略在组织再生领域已显示出的巨大希望。当与创新的材料设计结合使用时，3D打印技术可以对生物材料结构的体系结构和特性提供前所未有的控制。由聚合物纳米粒子制成的胶体凝胶是极具吸引力的可注射和自修复系统，但在很大程度上尚未将其用于微挤出式打印的的生物墨水。在这里，我们报告一种使用光敏明胶纳米粒子作为胶体构建单元，可3D打印且具有形状记忆的新型生物材料。这些纳米颗粒通过颗粒内共价交联键得以稳定，并且还包含甲基丙烯酰基侧基作为光反应性部分。尽管纳米粒子之间的非共价相互作用使得能够形成在室温下可打印的胶体凝胶墨水，但是基于甲基丙烯酰基部分的紫外线诱导的共价粒子间交联显着增强了打印结构的机械性能。此外，UV交联模态能够显着控制3D构造物的溶胀，降解和生物分子释放行为。最后，通过利用胶体生物材料在UV交联后的机械性能，可以设计具有形状记忆特性的3D结构，并在重新水化后恢复其原始的编程几何形状。因此，这些新型的胶体墨水具有巨大的潜力，可以用作具有形变功能的3D打印生物墨水，适用于广泛的组织工程和再生医学应用。
文章简介
水凝胶在3D生物打印领域发展非常广泛，由于它们的水合性质，粘弹性响应和掺入如细胞和生长因子的能力，水凝胶可以模拟天然细胞外基质的各个方面，水凝胶很有希望广泛用于组织工程，再生医学，和药物递送。尽管如此，水凝胶较差的机械性能和过多的肿胀常常限制了它们在本领域的应用。然而，为保证临床可行性，未来的3D打印支架至少应表现出足够的机械稳定性，可控制的膨胀和降解行为，以维持其设计结构在生理条件范围内。
胶体凝胶是最近已显示出具有巨大潜力的一类水凝胶。与传统的（水）凝胶不同，胶体凝胶是完全由颗粒构造块组装而成的，颗粒构造块的大小通常在10nm到几微米之间。而自下而上装配这些材料从纳米到宏观尺度的可允许生物材料的分层设计，不同的颗粒类型在它们的组合物结合的可能性使它们作为模块化生物材料平台。此外，这些构件可以用各种生物分子或药物加载或功能化，扩展了这些系统的生物医学实用性。最近的几项研究表明，胶体凝胶如那些由明胶制成的纳米颗粒的是有希望用于组织再生的可注射系统。
除了它们的可注射性，由于其非共价间键的可逆性，胶体凝胶还可以表现出损伤后的自愈行为。这种水凝胶的自我修复功能可以使其在通过窄针挤出后进行破坏性剪切力后迅速恢复其机械性能，这可能使这些生物材料适合用作基于微挤出式生物3D打印的生物墨水。与较大的微粒阻塞形成的颗粒状水凝胶相比，由聚合物纳米粒子制成的胶体凝胶可以表现出优异的机械性能和内聚力，因为其结构单元的纳米级尺寸导致更高的粒子间键密度。先前，陶瓷或基于碳的材料的胶态处理已被用于三维打印，这通常涉及苛刻的加工条件，如高温。聚合物胶体凝胶用于生物3D打印的潜力尚未得到充分的探索。
本篇研究我们报告一种使用光敏明胶纳米粒子作为胶体构建单元，可3D打印且具有形状记忆的新型生物材料。为此，我们合成了用颗粒内共价交联键稳定的明胶纳米颗粒，并对其进行了改性，使其包含甲基丙烯酰基侧基作为光反应性官能团。由于天然明胶中存在的固有部分和引入的甲基丙烯酰基，这些纳米粒子能够分别形成非共价和共价粒子间键。虽然非共价相互作用可以形成可打印的胶体凝胶墨水，该墨水在挤出时可以自我修复，但是在打印后紫外线（UV）诱导的其他共价粒子间键合的形成可以显着增强打印结构的机械性能。此外，此系统中的粒子间UV交联方式能够显着控制3D打印体的溶胀，降解和生物分子释放行为。最后，通过利用这些胶体生物材料在紫外线交联后能够存储大量弹性能的能力，可以设计出具有形状记忆特性的3D构造，在重新水化后将其构造从临时设定的形状恢复为其原始的编程几何形状。因此，这项研究强调了由甲基丙烯酰基改性的明胶纳米颗粒制成的胶体凝胶有望用作具有形状变形特征的3D打印生物材料的生物墨水，具有在各种组织工程和再生医学策略中应用的强大潜力。
图1明胶纳米颗粒在甲基丙烯酰化之前和之后的表征
图2胶体凝胶墨水的粘弹性和紫外线交联性能
胶体凝胶生物墨水的打印性能：研究结果表明了墨水的剪切稀化行为，表明它们适用于通过微挤出式生物3D打印设备进行打印。同时，胶体墨水在打印后将能够恢复其固体状，从而能够在通过紫外线交联进一步稳定之前维持打印结构的完整性。
图3胶体墨水可打印性的流变学评估
图4微挤出式打印胶体墨水的微丝结构
打印结构的机械性能：胶体墨水具有3D打印生物材料结构的能力，并具有出色的机械稳定性，弹性模量和强度约为之前报道的硅石增强基于明胶的胶体凝胶的5倍和2.5倍，更是显著高于水凝胶材料。
图5打印结构的机械性能
体外溶胀、降解和释放行为：使用胶体墨水的打印结构在打印后进行光固化交联、冷冻干燥、以及PBS重新溶胀后，结构均无明显的形态学变化，相对无UV交联的墨水稳定性更好。另外，通过酶促降解实验，可以明显看出UV交联形式的有效性，并揭示了UV交联打印体的最小非酶促降解。
图6具有或不具有UV交联打印体的溶胀行为
图7具有或不具有UV交联打印体的体外降解和生物分子传递能力
打印体形状记忆功能：由于可UV交联打印体的弹性行为和低应力松弛，可以设计3D构造，该构造能够在冷冻干燥状态下保持临时形状，并在重新水化后恢复为编程的原始几何形状。而没有进行UV交联的打印体在变形过程中会造成断裂。
图8打印结构的形状记忆功能
未来展望
此研究发明一种使用光敏明胶纳米粒子作为胶体构建单元，可3D打印且具有形状记忆的新型生物材料。由于这些纳米粒子之间存在非共价相互作用，胶体凝胶可以形成为可挤出和自修复的墨水，因此可在室温下打印。这些具有甲基丙烯酰基基团的纳米粒子的功能化通过建立共价粒子间交联，通过紫外线照射使3D打印体的打印后稳定化。该系统中的粒子间UV交联方式不仅可以显着提高打印结构的机械性能，而且还可以控制其溶胀和降解，以及将负载的生物分子保留在打印体内。值得注意的是，这些紫外线诱导的交联使得打印的打印体能够在涉及明胶酶促降解的生理条件下保持其预先设计的结构。最后，由于UV交联打印体的弹性行为和低应力松弛，可以设计3D构造，该构造能够在冷冻干燥状态下保持临时形状，并在重新水化后恢复为编程的原始几何形状。这种形状记忆特征可以为基于明胶的胶体打印体作为可展开系统的微创使用或作为它们在植入体内后可以适应特定组织/缺损形状的组织适应性结构的使用开辟新途径。重要的，这项工作中展示的生物材料设计策略依赖于广泛可用且具有成本效益的天然生物材料（即明胶）以及相对简单的材料加工方法（即基于微挤出式3D打印和冷冻干燥）。此外，鉴于基于明胶的胶体凝胶在组织再生中已确立的适用性，在本研究中开发的3D打印胶体生物材料具有巨大的潜力，可作为具有形状记忆功能的支架用于组织工程。
参考文献
Diba,M.,Koons,G.L.,Bedell,M.L.andMikos,A.G.,.3DPrintedColloidalBiomaterialsBasedonPhoto-ReactiveGelatinNanoparticles.Biomaterials,p..