《Addit. Manuf.》蘇州大學張克勤/張駿：超軟 SerMA 水凝膠助力器官修復！

當前數字光處理（DLP）打印超軟水凝膠面臨顯著挑戰：這類材料力學性能薄弱，且缺乏可靠的精度評估體系；同時，絲綢脫膠副產物絲膠（SS）雖具生物相容性、抗氧化等優勢，但因力學性能弱于明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）等蛋白材料，且難從堿性熱脫膠水提取，此前在DLP打印中應用有限，而現有DLP打印常用樹脂或聚合物材料又存在細胞毒性大、力學性能與生物組織不匹配的問題，制約了其生物醫學應用。

針對這一痛點，蘇州大學紡織與服裝工程學院國家現代絲綢工程實驗室張克勤教授、張駿副教授團隊，從堿性熱脫膠水提取SS，通過縮水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修飾制備出甲基丙烯酸化絲膠（SerMA），在保留SS生物相容性的同時提升可固化性；創新將“高度梯度篩選”法應用于雅各布工作曲線，解決光散射與自聚焦效應以精準確定固化深度；提出“切圓柱模型”量化動態光源間距下的局部打印誤差，實現300微米通道間隙、400微米孔洞結構的高精度打印，并優化墨水配方驗證其優異細胞相容性（L929細胞168小時存活率超95%）。

相關工作以“Breaking barriers in soft material printing: High-fidelity DLP fabrication of silk sericin via height-adjusted curing and local error optimization”為題發表在《Additive Manufacturing》上。

主要內容

通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線衍射（XRD）、氫核磁共振（1H NMR）、SDS-PAGE電泳等方法，研究了原始絲膠（SS）、甲基丙烯酸酐（MA）修飾的SerMA（SerMA(MA)）和縮水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修飾的SerMA（SerMA(GMA)）的化學結構、晶體結構、二級結構及溶解性，結果表明MA修飾易引發副反應導致SS沉淀，GMA修飾通過氧環開環反應實現雙基團接枝，無副反應且保留SS的隨機卷曲結構（占比34.0%±1.48%），溶解度顯著優于SerMA(MA)，更適合DLP打印。

圖1. 絲膠與甲基丙烯酸化絲膠的制備與性質表征圖

通過DLP打印預實驗（打印1.5mm高、2mm直徑微圓柱）、光流變儀測試（測儲能模量G′、損耗模量G″）等方法，研究了不同濃度SerMA（20%-40%）、光引發劑LAP（0.2%-1%）組成的墨水的可打印性及光固化流變特性，結果表明20%SerMA墨水打印難度大，40%SerMA-0.6%LAP墨水凝膠速度慢，30%SerMA-0.8%LAP墨水打印高度達設計值的95.9%-108.8%，光固化后G′更高、相角下降更快（90s開始驟降），凝膠動力學和力學性能最優，確定為最佳墨水配方。

圖2. 不同成分甲基丙烯酸化絲膠墨水的初始數據庫與光流變性質圖

通過DLP打印不同能量輸入（50-400mJ/cm2）的固化圓柱、 stereo顯微鏡觀察、測量圓柱不同直徑處（D100%、D90%、D80%、DTop）固化深度等方法，研究了能量輸入與SerMA墨水固化深度的關系，結果表明傳統雅各布工作曲線因光散射和自聚焦效應存在固化高度不均（呈錐形），“高度梯度篩選”法能獲取不同高度的工作曲線，各直徑處特征深度Dp一致但臨界固化能量Ec有差異，可精準指導不同層厚的打印能量設置。

圖3. 雅各布工作曲線的高度梯度篩選示意圖與實驗結果圖

通過設計“切圓柱模型”（兩個6mm直徑、1.4mm高的相切圓柱）、Keyence VHX-7000數碼顯微鏡測量不同層厚（50μm、100μm）、光照強度（2-8mW/cm2）下的打印誤差等方法，研究了SerMA墨水在動態光源間距下的局部打印誤差，結果表明DTop和D80%易出現固化不足（誤差81-875μm），D100%因過固化誤差較大（130-380μm），D90%在50μm層厚、8mW/cm2下誤差控制在100μm內（相當于打印機4個像素），整體打印精度最優。

圖4. 甲基丙烯酸化絲膠墨水的打印誤差評估系統圖

通過萬能材料試驗機測壓縮應力-應變曲線（計算壓縮模量）、恒濕烘箱與PBS浸泡測溶脹率等方法，研究了DTop、D80%、D90%、D100%四種打印參數下SerMA水凝膠的力學性能與溶脹行為，結果表明高光照強度（8mW/cm2）下DTop和D80%水凝膠變形小、溶脹率高、壓縮模量低，D100%因過固化變形明顯，D90%水凝膠在不同光照強度下壓縮模量變化?。W穩定性好），溶脹率適中，兼顧打印精度與力學完整性。

圖5. 打印甲基丙烯酸化絲膠水凝膠的力學性能測試圖

通過DLP打印表面微流控通道（500μm、1000μm間隙）、樹狀模型、輻射狀模型、拓撲模型（互聯3D孔洞）等方法，研究了DTop、D90%、D100%參數對SerMA墨水打印復雜結構保真度的影響，結果表明DTop易固化不足導致通道堵塞，D100%過固化使分辨率下降（樹狀模型枝寬1mm），D90%能打印300μm通道間隙、400μm孔洞及5mm-800μm多尺度表面通道，拓撲模型實現互聯孔洞，打印保真度最高。

圖6. 甲基丙烯酸化絲膠墨水打印的多種模型制備圖

通過DLP打印腦模型、脊髓模型（最小特征直徑700μm）、10×10微針陣列（直徑1mm、高1.4mm），結合CCK-8實驗、活死染色（鈣黃綠素-AM/碘化丙啶）、F-肌動蛋白染色等方法，研究了打印模型的結構精度及SerMA水凝膠的細胞相容性，結果表明打印模型結構精準，L929細胞在水凝膠表面168h存活率超95%（24h、72h、168h存活率分別為95.8%、98.8%、96.4%），活細胞占比高且細胞骨架舒展，支持細胞黏附與增殖。

圖7. 多種打印模型展示及甲基丙烯酸化絲膠水凝膠的細胞毒性評估圖

研究結論

本研究為超軟、力學脆弱水凝膠的高精度數字光處理（DLP）打印提供了變革性策略，以絲膠（SS）為可持續生物墨水，通過縮水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修飾制備出甲基丙烯酸化絲膠（SerMA），既保留絲膠原有的生物相容性與生物功能性，又實現精準光聚合。為解決固化深度評估難題，本研究將“高度梯度篩選”法應用于雅各布工作曲線，有效補償實際打印中的光散射與自聚焦效應；同時提出“切圓柱模型”量化局部打印誤差，實現300微米通道間隙與400微米孔洞結構的高精度打印，突破現有軟水凝膠打印局限。力學表征顯示，恒定曝光能量下，調整光照強度與曝光時間比可顯著提升打印精度，且不破壞打印結構的力學完整性；細胞相容性評估證實，SerMA水凝膠細胞存活率超95%，能支持細胞黏附與擴散。本研究不僅將力學脆弱蛋白納入DLP兼容材料庫，還為軟生物材料高保真打印建立通用框架，助力組織工程、生物傳感與微流控應用。

https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104877