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  近日，哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授團隊在《Nature Communications》上發表實驗論文“Complexation-Induced Resolution Enhancement of 3D-Printed Hydrogel Constructs”。該研究提出了一種新型水凝膠打印方式，在不改變原有3D打印設備硬件與打印參數的基礎上，通過材料的電荷絡合作用成倍提升了3D打印結構的分辨率，且具有各向同性等特性。該方法被命名為“收縮打印（Shrinking Printing）”，在帶有凈電荷的水凝膠中通用，可廣泛應用于擠出式打印、犧牲式打印、同軸打印等各類3D打印技術制備的水凝膠結構中。

  水凝膠3D打印技術目前在生物醫學中已得到廣泛應用，然而，現有的方法構建的組織與結構分辨率仍然較低。因此為了提高打印精度，我們常需要更新打印機硬件或調整墨水的性能，耗費成本較高、難度較大。盡管有一些其他的水凝膠打印方法，例如雙光子聚合等可以實現較高的打印分辨率，但它們的儀器系統通常非常復雜，從而限制了廣泛應用。

圖1. a, 水凝膠電荷絡合實現收縮的原理示意圖；b, HAMA水凝膠在殼聚糖溶液中收縮前后的照片；c, HAMA水凝膠收縮前后的直徑、高度與體積的變化；d, HAMA水凝膠在高氯酸溶液（pH = 1.0）、不同分子量的殼聚糖乙酸水溶液（pH = 4.7）以及季銨鹽殼聚糖水溶液（pH=7.4）中的收縮情況。

  本文提出了一種提高水凝膠3D打印產物分辨率的新方法“收縮打印”，該方法無需調整打印機硬件或墨水性能，只需要將制備好的結構在特定溶液中浸泡一段時間，便可以完成精度的不同程度提升。研究者選用了常用的帶負電的墨水，包括HAMA（甲基丙烯酸酐化透明質酸）、GelMA（甲基丙烯酸酐化明膠）和alginate（海藻酸），在通過3D打印構建了各種三維結構后將其浸泡于帶正電的殼聚糖或季銨鹽殼聚糖溶液中。隨著時間的推移，正電荷擴散進入水凝膠與其內部負電荷產生絡合作用，并將水分子排擠出水凝膠外，實現了3D打印水凝膠結構的體積縮小與分辨率提升。研究者對該技術的普遍性進行了進一步驗證，發現帶正電的生物墨水構建的3D打印結構同樣可以在帶負電的聚陰離子溶液中收縮。

圖2. a,擠出式打印的水凝膠結構收縮示意圖；b,擠出打印的HAMA水凝膠結構在殼聚糖溶液中隨著時間推移發生收縮，包括(c)六邊形對邊距離及(d)水凝膠臂直徑。

  除了擠出式打印的水凝膠結構可通過該方法進行精度提升外，研究團隊還在犧牲式打印（基于Pluronic F127或polycaprolactone [PCL]）的結構及同軸打印的管道中進行了驗證，發現管道內徑最小可以收縮到原來的1/8，可用于構建毛細血管等精細結構。

圖3. “收縮打印”在犧牲式水凝膠打印中的應用。

圖4. “收縮打印”在同軸打印中的應用。

文末，研究者驗證了MCF-7、C2C12、HUVECs等細胞在GelMA/HAMA水凝膠內部的存活、鋪展與增殖等情況。研究表明，不同類型的細胞在水凝膠內的生物學活性有較大的差異。持續時間較長的單次收縮對細胞的擠壓較大容易造成活性下降，因此研究者又提出了單次收縮時間較短的分次序列收縮，從而保護水凝膠內細胞的活性與功能。

圖5. 單次一步收縮法與多次序列收縮法對水凝膠內MCF-7細胞活性及增殖能力的影響。

  Nature Communications的編輯評價該文章：Three-dimensional (3D) hydrogel printing enables production of volumetric architectures but achieving good resolutions for miniaturized features remains challenging. Here the authors demonstrate shrinking of a printed structure by immersing a 3D-printed patterned hydrogel consisting of a hydrophilic polyionic polymer network in a solution of polyions of the opposite net charge。該技術有望在不久的將來進一步優化并在各領域廣泛應用。

  哈佛醫學院/浙江大學聯合培養博士龔佳幸與哈佛醫學院/烏德勒支大學聯合培養博士Carl C. L. Schuurmans為本文的共同第一作者，哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授與烏德勒支大學Tina Vermonden教授為本文共同通訊作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14997-4