供稿人：李紅艷 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-07-01
使用水凝膠作為4D打印的生物墨水具有易于加工性、天然組織細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生能力，與基于擠出的4D打印技術(shù)的高度相容性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在印刷分辨率不足、形狀保真度不理想和頻繁的噴嘴阻塞等阻礙。在基于水凝膠的材料中，微凝膠（例如顆粒水凝膠）已被廣泛使用，顆粒狀微凝膠在足夠的應(yīng)力和溫度條件下被特殊加工成“卡住狀態(tài)”（jammed），以提高印刷適性。
伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的AiXiang Ding等人開發(fā)了一種卡住的異質(zhì)單組分微片水凝膠（MFH）系統(tǒng)，由離子交聯(lián)氧化和甲基丙烯酸酯海藻酸鹽（OMA）微凝膠組成，作為4D活細(xì)胞生物打印的墨水。當(dāng)加入光引發(fā)劑（PI）和紫外線吸收劑時(shí)，這種MFH可以很容易地打印到穩(wěn)定的3D生物結(jié)構(gòu)中，并且可以進(jìn)一步交聯(lián)以形成更強(qiáng)大的水凝膠構(gòu)建體，在水凝膠內(nèi)具有交聯(lián)梯度。打印的3D生物構(gòu)建體中MFH的交聯(lián)梯度允許在細(xì)胞培養(yǎng)基中培養(yǎng)后受控地變形為定義的幾何形狀（圖1）。
圖1：結(jié)合PI和紫外線吸收劑的4D MFH生物打印方案：i）將卡住的富含細(xì)胞的MFH生物墨水打印到生物構(gòu)建體中;ii）紫外線交聯(lián)以在3D打印的生物結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生交聯(lián)梯度;iii）在培養(yǎng)基中培養(yǎng)以驅(qū)動(dòng)形狀變形。
利用這種生物墨水，使用光刻技術(shù)局部光交聯(lián)含有細(xì)胞的水凝膠棒，并在37°C下在GM中培養(yǎng)水凝膠棒，以引發(fā)復(fù)雜的形狀轉(zhuǎn)換。例如，以相反方向的兩個(gè)獨(dú)立梯度進(jìn)行光交聯(lián)的水凝膠棒變成“生物螺旋”（圖2a）或“bioS”結(jié)構(gòu)（圖2b ）。這種獨(dú)特的4D生物打印系統(tǒng)將在4D組織和器官工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，并可能有助于研究發(fā)育過程。
圖2：a）充滿細(xì)胞的“生物螺旋”結(jié)構(gòu)的顯微照片。b） 充滿細(xì)胞的“bioS”結(jié)構(gòu)的照片。