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  3D生物打印技術在復雜結構和多細胞組織器官構筑方面具有不可替代的優勢。生物3D打印墨水日益成為制約3D打印組織工程領域發展的瓶頸，其可打印性和物化性能，對細胞行為和命運的調控是構筑組織器官，實現再生的關鍵。水凝膠是含大量水的三維交聯網絡材料，具有類細胞外基質的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝膠材料存在凝膠-溶膠轉變慢、支撐強度弱等問題，打印精度和結構穩定性有待改善。光交聯、增稠劑或支持浴等策略可部分地解決這些難題，但增加了打印工藝的復雜程度，增大了生物毒性等風險。解決水凝膠材料可打印性與結構穩定性之間的矛盾，實現溫和條件下的快速打印，構筑高精度仿生組織工程支架，是生物3D打印領域亟待解決的關鍵科學問題。

  中山大學付俊教授團隊發明了由微凝膠生物3D打印墨水，研究發現，微凝膠可通過氫鍵組裝為宏觀水凝膠(bulk hydrogel)，具有典型的觸變性能、快速自愈合性能和一定的機械強度，可在常溫條件下直接打印構筑復雜組織工程支架（圖1）。

圖1. 基于甲基丙烯酰化殼聚糖(CHMA)/聚乙烯醇(PVA)的微凝膠水凝膠墨水制備示意圖

  該墨水的關鍵在于微凝膠之間存在廣泛的氫鍵作用。付俊團隊合成了甲基丙烯酰化殼聚糖（CHMA）/聚乙烯醇(PVA)水凝膠（圖1a,b），并將其可控地破碎成微凝膠（圖2a）。在微凝膠中，PVA-PVA，PVA-CHMA中的羥基與羥基，羥基與氨基等官能團間具有強的成氫鍵能力，使得微凝膠組裝成宏觀凝膠。在剪切作用下，微凝膠墨水發生屈服和凝膠-溶膠轉變（圖2b），應力撤消后，又可快速自愈合恢復（圖2c）。可逆的氫鍵作用賦予CHMA/PVA微凝膠墨水具有可控的剪切變稀（圖3a）、屈服強度（圖3b）和抗蠕變性能（圖3c）。該墨水的流變行為符合Herschel-Bulkley流體特征（圖3d），在擠出過程中呈塞流流動（圖4a），降低了剪切作用對墨水的擾動，提高了微凝膠的穩定流動（圖4b）。因此，無需添加增粘劑、支撐骨架和后交聯處理，利用該墨水即可一步實現類血管、人耳、股骨等多種大長徑比的仿生結構自支撐擠出打印（圖5）。體外細胞培養發現，該水凝膠的化學微環境有利于骨髓間充質干細胞在支架上成細胞球（圖6a）并保持高活性生長（圖6 b, c），這為該支架體系在皮膚、軟骨等組織工程領域的進一步應用奠定了基礎。

圖2. 微凝膠墨水的(a)粒徑與形態，(b)剪切屈服，(c) 快速凝膠-溶膠轉變與自愈合

圖3. 流變表征微凝膠墨水的屈服流動行為：(a)剪切速率掃描粘度變化，(b)剪切應力掃描的屈服應力， (d)蠕變與恢復，(c) Herschel-Bulkley流動分析

圖4. 基于Herschel-Bulkley流動分析微凝膠墨水在擠出打印針頭中的塞流流動特征：(a)剪切速率分布，(b) 流動速度分布 

圖5. 自支撐高保真打印仿生高長徑比仿生組織：(a, b)類血管結構，(c) 大鼠股骨，(d)人耳廓結構

圖6. CHMA/PVA水凝膠支架支持干細胞成球生長：(a) 共聚焦顯微鏡熒光表征細胞形態，(b)細胞增殖數目與(c)細胞球黏附面積統計分析

  該研究成果以“Direct 3D Printed Biomimetic Scaffolds Based on Hydrogel Microparticles for Cell Spheroid Growth”為題，作為Frontispiece論文發表于Advanced Functional Materials 2020，30（13）1910573 。博士生張華為第一作者，付俊教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(51873224, 51803227)、浙江省自然科學基金(LY17E030011、LQ19E030010)、寧波市自然科學基金(2017A610232)、浙江大學高分子合成與功能構造教育部重點實驗室(2018MSF04)的支持。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910573