《Small》阿爾伯塔大學：高分辨率3D打印可拉伸顆粒水凝膠細絲!

加拿大阿爾伯塔大學Lingyun Chen教授團隊《Small》期刊上發表文章“High-Resolution 3D Printing of Stretchable Granular Hydrogel Filaments for Fabricating Robust and Durable Tissue Phantoms with Tunable Mechanical Strength”，作者研究團隊在這項研究中開發了一種基于乳清蛋白微凝膠的顆粒水凝膠（WMGH）及其雙網絡變體（DN-WMGH），用于高分辨率 3D 打印和組織模擬。通過蛋白 - 多糖相分離法制備出尺寸可控的微凝膠，WMGH 可通過調節打印速度和壓力實現 200 μm 分辨率的 3D 打印，墨水擴散率僅約 5%，能構建人耳、主動脈瓣等復雜結構。引入聚丙烯酰胺第二網絡后，DN-WMGH 的韌性較純 PAM 水凝膠提升 36 倍，機械強度在 6–300 kPa 范圍內可調，且經 100 次 100% 應變拉伸循環后完全恢復。該材料可模擬從大腦（<10 kPa）到腸道（≈300 kPa）等組織的力學性能，生物相容性良好，在手術訓練、植入設備和藥物輸送系統等領域具有應用潛力。

WHAT—什么是雙網絡DN-WMGH水凝膠？

雙網絡DN-WMGH水凝膠是通過蛋白-多糖相分離法制備1、6、20μm乳清蛋白微凝膠并構建顆粒水凝膠（WMGH），再經丙烯酰胺單體浸泡和UV固化形成聚丙烯酰胺第二滲透網絡制得，其結構中乳清蛋白微凝膠均勻分布于PAM基質，孔隙小且分布均勻，兼具高分辨率3D打印性能（200μm分辨率、5%墨水擴散率）與優異力學特性，韌性較純PAM水凝膠提升36倍至1.45MJ/m3，機械強度6-300kPa可調，能模擬多種生物組織力學性能，100次拉伸循環后完全恢復，在手術訓練、植入設備等領域應用潛力廣泛。

WHY—為什么采用乳清蛋白制備雙網絡DN-WMGH水凝膠？

采用乳清蛋白制備雙網絡DN-WMGH水凝膠，因其具良好生物相容性，細胞實驗顯示存活率超96%；可通過蛋白-多糖相分離法精準調控微凝膠尺寸至1-20μm，適配25G噴嘴實現200μm高分辨率打印；其微凝膠三維網絡作為“犧牲相”與PAM網絡協同，使韌性提升36倍且強度6-300kPa可調，能模擬多種組織力學性能，同時乳清蛋白pH敏感性解決支撐浴移除與回收問題，來源廣泛制備簡便。

HOW—研究團隊提出一種于乳清蛋白微凝膠的高分辨率 3D 打印材料體系及其雙網絡增強技術。

近年來，3D打印軟材料在組織工程等領域應用廣泛，但傳統水凝膠打印存在形狀保持難題，顆粒水凝膠雖具剪切稀化等優勢，卻因微凝膠尺寸大導致分辨率低、機械性能弱。引入雙網絡結構可增強性能，但缺乏力學調控方法且生物聚合物基微凝膠不足。該研究開發基于乳清蛋白微凝膠的DN-WMGH，通過相分離法制備1-20 μm可控尺寸微凝膠，實現200 μm高分辨率打印，調控微凝膠尺寸使力學強度在6-300 kPa可調，結合嵌入式打印技術，為組織模擬應用提供新途徑。

圖1 均勻且尺寸可控的乳清蛋白微凝膠的表征

圖1主要展示了均勻且尺寸可控的乳清蛋白微凝膠的制備及表征過程：通過蛋白-多糖相分離法制備乳清蛋白微凝膠，經熱處理形成三維交聯網絡，可通過調整蛋白與多糖體積比將微凝膠平均尺寸控制在1、6和20 μm，其表面粗糙且內部多孔；將微凝膠懸浮液經離心堵塞后制備顆粒水凝膠（WMGH），共聚焦顯微鏡觀察顯示，隨著微凝膠尺寸減小，WMGH的堆積密度增加，孔隙率從21.2%降至15.7%，平均孔徑從61.6 μm2減小至22.6 μm2，這種結構使WMGH墨水具備高分辨率打印能力。

圖2 顆粒水凝膠（WMGH）墨水的流變行為與可注射性能

圖2主要探究了乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的流變行為與可注射性能：所有WMGH墨水均呈現剪切稀化特性，且微凝膠尺寸越小，黏度和儲存模量（G'）越高（如WMGH-1的G'達5500 Pa），并在高低應變循環中展現快速自愈合能力；通過22G噴嘴擠出測試發現，較小尺寸的WMGH-1和WMGH-6在更寬壓力范圍（40–100 kPa）內可形成連續光滑絲材，而WMGH-20因堆積密度低僅在窄壓力區間（30–60 kPa）維持絲材形態，該流變特性使WMGH墨水在3D打印中兼具高分辨率與形狀保持能力。

圖3 乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的 3D 打印性能

圖3主要展示了乳清蛋白顆粒水凝膠（WMGH）墨水的3D打印性能：打印的網格結構顯示，WMGH-1和WMGH-6的墨水擴散率僅7.3%和8.0%，窗口打印性達1.3，顯著優于WMGH-20（擴散率40.3%，打印性0.52）；垂直圓柱結構測試中，前兩者高度保持率接近100%，展現出色的層間堆積穩定性；此外，利用WMGH-6成功打印人耳和主動脈瓣等復雜結構，驗證了其高形狀保真度和復雜構造能力，解決了傳統顆粒水凝膠打印分辨率低、結構易坍塌的問題。

圖4 DN-WMGH 水凝膠的力學性能調控

圖4主要呈現了3D可打印雙網絡乳清蛋白顆粒水凝膠（DN-WMGH）的力學性能：相比純聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠，DN-WMGH的拉伸強度和韌性顯著提升，其中DN-WMGH-1的韌性達1.45 MJ/m3（提升36倍），楊氏模量隨微凝膠尺寸減小從0.06 MPa增至0.24 MPa；循環拉伸測試中，所有DN-WMGH在100%應變下經100次循環后形狀和強度完全恢復，壓縮測試顯示其可承受85%應變并快速回彈；SEM圖像表明微凝膠均勻分布于PAM基質中形成致密雙網絡結構，能量耗散機制歸因于微凝膠網絡的 sacrificial bonds 斷裂與PAM網絡的變形協同作用，實現力學性能的寬范圍調控與高耐久性。

圖5 DN-WMGH 水凝膠的力學機制與實際負載能力

圖5主要闡述了DN-WMGH水凝膠的力學機制與實際應用能力：通過示意圖揭示其拉伸/壓縮時乳清蛋白微凝膠網絡作為犧牲結構斷裂、PAM網絡協同變形的能量耗散機制；3D打印的DN-WMGH結構（如65%填充率的條帶）可重復提起500g重物而無損傷，低填充率（25%）網格也能承受50g負載；高縱橫比空心圓柱壓縮至80%應變后可完全恢復，壓縮循環中滯后環極小，且三尖瓣模型在外力下能正常開啟，驗證了其優異的負載能力、彈性與功能模擬性能。

圖6 基于 WMGH 的 “微凝膠中微凝膠” 嵌入式 3D 打印技術

圖6主要介紹了基于WMGH的“微凝膠中微凝膠”嵌入式3D打印技術：通過離心制備WMGH支撐浴，其流變性能可調，可兼容藻酸鹽、明膠等多種墨水，在22G噴嘴打印中實現直徑接近 nozzle 的高精度絲材；支撐浴可通過pH調節或PBS洗滌移除，且微凝膠經洗滌離心后可重復利用；利用該技術成功打印鼻軟骨和三尖瓣等復雜結構，其中三尖瓣模型在外力下可正常開啟，展現了高形狀保真度與功能模擬能力，解決了傳統支撐浴不可回收及殘留化學物質的問題。

圖7 DN-WMGH 水凝膠的體外細胞相容性

圖7主要評估了DN-WMGH水凝膠的體外細胞相容性：通過直接接觸法和細胞封裝實驗，Alamar Blue檢測顯示與DN-WMGH共培養的人真皮成纖維細胞代謝活性隨時間顯著提升，與對照組無顯著差異；Live/Dead染色表明，無論是直接接觸還是封裝在水凝膠中，細胞存活率均超過96%，且細胞形態正常、增殖良好，證實DN-WMGH具有低細胞毒性和良好的生物相容性，為其在生物醫學領域如組織工程和藥物輸送系統中的應用提供了安全性依據。

結論：在這項工作中作者團隊開功開發了由尺寸可控（1、6、20 μm）的乳清蛋白微凝膠組成的顆粒水凝膠（WMGH），通過調節打印速度和壓力，WMGH墨水可像連續液體墨水一樣拉伸，利用25G噴嘴實現了200 μm的高分辨率3D打印，墨水擴散率約5%，并能高精度打印人耳、主動脈瓣等復雜結構。將WMGH與聚丙烯酰胺第二滲透網絡結合形成的雙網絡水凝膠（DN-WMGH），其韌性較純PAM水凝膠提高36倍，達1.45 MJ/m3，機械強度可在6–300 kPa范圍內調節，且在100%應變下經100次拉伸循環后能完全恢復。借助創新的“微凝膠中微凝膠”嵌入式3D打印技術，DN-WMGH可自由成型復雜的鼻側軟骨結構，兼具高形狀保真度和優異機械性能。這種可拉伸、機械性能強且耐用的DN-WMGH水凝膠，結合天然生物聚合物微凝膠的生物相容性和高分辨率3D打印能力，在手術訓練、傷口管理、可穿戴和植入設備以及藥物輸送系統等需要類似組織機械性能的領域具有廣闊的應用前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smtd.202402103