纳米粘土辅助的生物水凝胶复杂支架3D打印

3DPrintingofComplexGelMA-basedScaffoldswithNanoclay.pdf

生物水凝胶在生物3D打印中为细胞提供接近细胞外基质的环境，面向创伤再生的可定制化，理想的可生物3D打印的水凝胶必须有要兼顾可打印性及生物活性。课题组所产业化的GelMA水凝胶，尤其是低浓度的GelMA，具有优良的生物相容性。但是，低浓度GelMA水凝胶粘度很低（接近于水），常规3D打印设计并不能有效打印这种材料。如何打印GelMA水凝胶的复杂结构，一直是一个难点。

图1. 课题组实现的复杂水凝胶支架打印（分叉血管、耳朵）

为了解决GelMA水凝胶的打印难题，我们设计了一种Nanoclay/GelMA复合打印策略，使其既能够在普通条件下进行打印，又保留了GelMA水凝胶良好的生物相容性。我们对这种材料的打印特性以及生物特性进行验证，并且将制造过程划分为挤出、沉积、融合三个阶段，系统的研究了不同的元素对支架制造过程的影响，给出具体的打印工艺窗口。

图2.打印原理以及水凝胶材料流变性能

Nanoclay/GelMA生物墨水具有良好的剪切变稀性能和自支撑性能。打印过程中，这种材料可以在溶胶状态（低粘度）和凝胶状态（高粘度）切换。挤出过程中，生物墨水受到剪切力的作用，粘度降低成为溶胶状态，很容易被挤出。沉积到打印平台后，剪切力消失，生物墨水快速恢复到凝胶状态。GelMA是一种光敏材料。利用Nanoclay/GelMA生物墨水打印的结构可以在紫外光下完成光交联，成为稳定的组织工程支架。

图3. GelMA/Nanoclay生物墨水挤出过程可打印性研究

在挤出过程中，由于剪切力的存在，生物墨水纤维会产生膨胀。我们将膨胀率定义为α=D/d（D为生物纤维直径，d为喷头直径）。α值越小，生物墨水纤维膨胀程度越小。对于同一种材料，喷头直径与挤出速度会对α值产生明显的影响。α值与喷头直径成反比，与挤出速度成正比。而且随着生物墨水中Nanoclay含量的增加，α值也呈现减小的趋势。根据这些数据，α值在（1.2, 1.5）这个区间内时，生物墨水纤维的性能良好。

图4. GelMA/Nanoclay生物墨水沉积过程可打印性研究

由于自身重力以及喷头挤压，生物墨水纤维沉积在打印平台时会发生变形。纤维界面会由圆形变为椭圆形。我们将这种变形定义为β=W/D（W为纤维宽度，D为纤维直径）。β值越小，变形越小。在保持挤出速度不变时，生物墨水浓度、层高、打印速度是对β值产生影响的重要因素。根据实验结果，随着层高以及打印速度的增加，β值减小。生物墨水中Nanoclay的含量越高，β值越小。当0.9＜β＜1.2时，生物墨水纤维沉积后的效果良好。我们将这个区间定义为当前阶段的可打印窗口。

图5. GelMA/Nanoclay生物墨水融合过程可打印性研究

在打印中，不同层的生物墨水纤维会产生融合。融合程度对打印结果会产生较大的影响。严重时可能会造成打印的结构失真。这种融合的结果体现在结构上就是打印结构的实际高度和面积与理论值不同。网格与圆柱是两种比较有代表性的结构。我们定义两个参数θ和γ来表示这两种结构的融合程度。θ=S/S₀（S为单个网格实际面积，S₀为单个网格理论面积），γ=H/H₀（H为实际高度，H₀为理论高度）。θ和γ的值越大，融合程度越小。GelMA/Nanoclay生物墨水中Nanoclay的含量，是否边打印边进行光交联反应，都会对θ和γ的值产生影响。我们通过实验发现，增加Nanoclay的含量，采取边打印边固化的方式，都能够抑制融合现象。当θ和γ的值都在（0.8, 1）这个区间内时，打印的结构基本可以满足我们的需求。所以我们将这个区间定义为此工艺阶段下的可打印窗口。

图6.水凝胶支架的机械性能研究

组织工程支架需要满足细胞培养的需求，包括营养流通、维持水性环境。与GelMA相比，GelMA/Nanoclay生物墨水具有较高的强度。GelMA/Nanoclay生物墨水的机械强度与Nanoclay的含量成正比。利用GelMA/Nanoclay生物墨水打印出的组织工程支架具有明显的孔隙，尤其是侧孔。这些孔隙对于营养的流通是非常有帮助的。GelMA/Nanoclay支架的平衡溶胀率和GelMA相比略有下降，但是依然维持在较高水平。这种特性对于维持水性环境是非常重要的。

图7. 水凝胶支架的生物相容性研究

为了验证GelMA/Nanoclay支架的生物特性，我们分别将内皮细胞接种在GelMA支架和GelMA/Nanoclay支架上。经过5天的培养之后，这两种支架上的细胞均有较高的存活率，而且没有明显差异。所以，加入Nanoclay并不会对GelMA支架的生物相容性产生不利影响。利用我们的研究内容，可以打印出具有良好生物相容性的个性化结构。

相关论文“3D Printing of Complex GelMA-based Scaffolds with Nanoclay”已被Biofabrication杂志录用，一作为高庆博士、牛雪峰硕士为共同一作，通讯作者为贺永教授。

论文DOI：10.1088/1758-5090/ab0cf6