AFM：中科院兰州化物所发表3D打印的最新研究成果！

基于此， 中国科学院兰州化学物理研究所 刘维民院士/王晓龙研究员 团队在 《Advanced Functional Materials》 上发表了题为 “Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness” 的研究成果。

提出了一种基于共价交联网络和金属配位网络的双交联网络策略来制备刚度可调的弹性水凝胶，其弹性模量（软硬度）可以通过调节水凝胶组分和金属配位键的密度，使其灵活调控从几千帕到几百千帕之间来匹配不同的生物软组织，同时借助数字光处理3D打印技术实现结构复杂、保真度高、机械可调的湿滑水凝胶软组织器官，这些水凝胶软组织器官模型还具有复杂的内部通道和腔体结构、血管化组织结构、解剖结构等。该仿生水凝胶软组织器官模型在外科手术训练、医疗设备测试和器官芯片等领域具有较大的潜在应用前景。

图1 弹性双网络水凝胶的设计及湿滑水凝胶软组织器官模型的制造

研究者提出了一种具有类组织柔软性的双网络(Double network, DN )弹性水凝胶，以实现目标组织匹配的机械性能，可通过调节水凝胶墨水成分和金属配位键的密度来控制。其中，光固化水凝胶油墨成分由单体丙烯酰胺(Monomers acrylamide, AAm )和2 -丙烯酰胺基- 2-甲基丙烷磺酸(2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, AMPS )、化学交联N, N ’ -亚甲基双丙烯酰胺( N, N’-methylenebis-(acrylamide), MBAA )、水溶性光引发剂苯基-2,4,6 -三甲基苯甲酰次膦酸锂(lithium phenyl-2,4,6trimethylbenzoylphosphinate, LAP )和水溶性光吸收剂柠檬黄。将这些成分溶解在去离子水中形成均匀的水凝胶光敏油墨，然后暴露在紫外光源( 405 nm )下，通过AMPS和AAm链之间的自由基共聚形成共价交联的水凝胶(编码为已制备的水凝胶)。将制备的水凝胶依次浸泡在ZrOCl ₂ 溶液中，通过AMPS链上的磺酸基团与Zr ⁴⁺ 之间形成的金属配位键制备Zr ⁴⁺ 配位水凝胶。将 Zr ⁴⁺ 配位的水凝胶在去离子水中进一步平衡，透析掉多余的离子以达到稳定的配位，即为平衡水凝胶。（图1）

图2 刚度与天然软组织特性相匹配的湿滑水凝胶仿生组织器官模型

同时利用多种可调刚度的弹性水凝胶来匹配天然软组织的机械特性，并结合数字光处理3D打印技术制造了大脑、支气管、肺、肝脏、心脏、胃、肾脏以及肠等具有高保真度和三维复杂结构的水凝胶组织器官模型；另外这些水凝胶软组织器官模型具有结构复杂的腔体、可灌注的微通道以及异质结构。

图3 湿滑水凝胶软组织器官模型的解剖细节及粘弹性能

3D打印的水凝胶器官模型具有复杂的内部通道和腔体结构，以及更接近于天然心脏器官的外部逼真解剖结构；另外这些类组织弹性水凝胶还具有可调控的粘弹性，且与各种活组织器官的粘弹性非常相似。

图4 弹性水凝胶基质中制造的流体通道网络和仿生多血管网络结构

在弹性水凝胶基质内制造了许多具有可调管状拓扑结构的流体多通道网络结构。另外在弹性水凝胶中设计和制造了具有曲折的仿生多支叉血管网络和不规则分叉和大小通道的仿生树突状血管网络。

图5 3D打印湿滑水凝胶仿生器官模型的体外导丝介入演示

在设计的具有复杂曲折脑动脉和湿滑特性的3D打印水凝胶人脑模型可作为模拟血管内介入治疗的有效仿真平台，其为血管内介入治疗领域解决一些临床和技术挑战开辟创新新型道路。

该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划项目等的支 持。文章 基于3D打印水凝胶的柔软度可机械调节的体积型组织模拟物被认为具有广泛的应用前景，可作为新型医疗器械体外需求测试、术前排练和医疗培训的可展开平台。 主要 提出了具有类组织柔软性的新型3D可打印弹性水凝胶，适用于模拟具有接近天然软组织的生物结构和机械性能的组织和器官仿体。 通过控制单体组成和金属配位的密度，基于DN策略的弹性水凝胶的机械性能是广泛可调和精确可控的。

Desheng Liu, Pan Jjiang Yixian Wang,Yaozhong Lu, Jiayu Wu,Xin Xu, ZhongyingJi, Chufeng Sun, Xiaolong Wang Weimin Liu 。 First published: 31 January 2023 |https://doi.org/10.1002/adfm.202214885

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