3D生物打印用光固化水凝胶的形成理论和可打印性

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

光固化生物水凝胶具有良好的成型性和生物相容性，已被广泛应用于生物医学领域，如组织工程支架、药物缓释载体和伤口修复敷料等。光固化水凝胶通常是通过生物材料与甲基丙烯酸酐或丙烯酰氯之间的化学反应合成的，引入不饱和双键，在光照和引发剂的作用下聚合，形成交联网络。然而，关于水凝胶的形成过程及其光交联行为的研究很少，无法准确地量化光固化水凝胶的交联过程，限制了其作为打印墨水在生物打印中的标准化和扩展的应用。

近日，浙江大学贺永教授课题组以光引发自由基聚合的生物水凝胶为例，建立了水凝胶的形成理论，填补了水凝胶形成理论的空白，使准确量化水凝胶的形成过程成为可能。首先区分了三种典型的交联反应，指出在交联过程中并非所有的双键对聚合的贡献是相同的，提出了有效双键转换（EDBC）的概念，并对水凝胶的形成指数进行了定义，也论证了定量的测量和计算方法。这项工作以“Formation Theory and Printability of Photocurable Hydrogel for 3D Bioprinting”为题发表在Advanced Functional Materials上。

研究人员首先区分了传统聚合物与水凝胶的自由基聚合过程的区别，包括初始单体的分子量、功能化程度（DoF）、聚合物网络结构以及聚合单体的浓度等（图1A）。与以往利用交联后的应用特性对水凝胶形成过程进行定性分析不同，研究人员将影响水凝胶形成状态的因素归为两个方面：原始材料特性和交联时的条件。材料特性包括分子结构、功能化程度（DoF）和浓度。交联条件包括温度、起始速率和交联时间。在此基础上，提出了形成状态的详细定义和定量评价体系，以常用的光固化自由基聚合水凝胶GelMA和光激活的自由基引发剂苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）膦酸锂（LAP）为例，说明了光固化自由基聚合水凝胶的形成过程（图1B）。

研究人员首先从宏观和微观的角度分析了水凝胶的形成特征（图2A）。通过对交联反应的分析，发现不同的聚合反应对水凝胶的形成有不同的贡献，并提出了基于贡献的形成理论和相应的形成指数（图2B）。此外，还预测了慢速交联效应和凝胶点效应（图2C）。最后，提出了一种基于形成理论的新的投影式3D打印策略，即快速交联打印和慢速交联后处理（F-S打印）。与传统的打印方法相比，F-S打印在效率、分辨率、机械强度和生物相容性方面都有明显的改善（图2D）。

在交联过程中，不饱和双键被自由基破坏并相互交联形成聚合物。消耗的双键百分比与交联程度直接相关，可作为描述形成状态的一个理想参数。评价交联程度的传统方法是测量交联前后的双键含量，然后计算双键转换率（DBC）来评价形成状态。然而，对于高单体分子量和低DoF的水凝胶，在交联过程中，转化的双键对水凝胶形成的贡献是不一样的。为了衡量转换的双键对水凝胶形成的贡献，研究人员提出了有效双键转换（EDBC）的概念，它代表了双键转换为交联键的比率。EDBC越高，转换的双键对聚合的贡献就越大（图3）。基于EDBC的概念，水凝胶的形成状态可以通过四个参数来衡量：平均交联步长（ACS）、交联度（DGC）、交联密度（DSC）和分子网络密度（DMN），它们从不同角度描述了水凝胶的形成状态（图4），研究人员还给出了这四个形成参数的测量和计算方法（图5）。

参与光引发自由基聚合的化学反应包括：1）引发反应，2）传播反应，3）终止反应，和4）阻断反应（图6）。研究人员通过计算反应速率证明，传播反应的EDBC高于终止和阻断反应的EDBC，因此可以通过增加传播反应的比例来提高整个聚合反应的EDBC。除了分子量的影响外，光照强度也会影响光固化水凝胶的形成状态。在固化过程中，较低的曝光强度会以较慢的速度产生自由基。DGC与自由基浓度成反比，低曝光强度会增加DGC。在相同的曝光剂量下，曝光强度对DGC有明显的影响。具体来说，终止和阻断反应是高强度和短曝光的主要反应，所以DGC很低。相比之下，传播反应在低强度和长曝光下占主导地位，所以EDBC和DGC都很高。因此，通过控制曝光强度，DGC可以进一步增加，以接近一个较高的上限（图7），称为慢速交联效应。

为了验证缓慢交联的效果，研究人员测试了不同曝光强度下固化水凝胶的特性（图8），包括拉伸、压缩、降解和膨胀测试。实验结果表明，与快速交联的GelMA相比，缓慢交联的GelMA具有更高的拉伸和压缩强度、更慢的降解、更密集的内部网络和更低的膨胀率。因此，缓慢交联的水凝胶具有更密集的交联网络。对PEGDA水凝胶也得到了同样的结果，表明缓慢交联效应普遍适用于不同的水凝胶。

研究人员利用这种慢速交联效应来优化3D打印过程。在早期使用高曝光强度进行固化可以缩短反应时间，提高打印效率，然后缓慢交联可以进一步增加DGC，提高机械强度。与传统的打印方法相比，F-S打印策略将XY分辨率从484微米提高到159微米，Z分辨率从821微米提高到288微米，每层的打印时间从25秒提高到10秒。固化后的水凝胶的杨氏模量从35.3增加到63.7KPa，全面提高了水凝胶的打印性和性能（图9）。除了可打印性和性能的提高，通过F-S策略打印的结构也显示出良好的生物相容性（图10）。基于打印结构的机械性能的提高和良好的生物相容性，它们可以被用于各种生物应用，包括miRNA测序、成骨分化和基因表达、细胞粘附等（图11）。

结论：研究人员总结了水凝胶和传统聚合物形成过程的差异，建立了光交联水凝胶形成的理论体系。详细定义了水凝胶的形成指数，并演示了定量的测量和计算方法。基于形成理论，预测慢速交联可以提高交联度，导致更好的应用性能。此外，基于慢速交联效应，提出了F-S打印策略。与传统打印相比，F-S打印可以获得更高的打印效率、打印分辨率、机械强度和生物相容性。这项工作有助于更好地理解水凝胶的交联过程，并为光固化水凝胶的制造和应用提供指导。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301209

来源：高分子科学前沿

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