布朗大學(xué)博士研制可降解3D打印水凝膠，應(yīng)用廣泛

據(jù)南極熊了解，近日，美國(guó)布朗大學(xué)的博士生Thomas Valentin和同事將二價(jià)陽(yáng)離子溶解到海藻酸鹽溶液中，生成了一種非共價(jià)鍵水凝膠，而它對(duì)多類刺激都有反應(yīng)。用藻類的相容性材料來(lái)創(chuàng)建臨時(shí)有序結(jié)構(gòu)，這樣可以進(jìn)一步生成更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模板結(jié)構(gòu)。研究人員通過(guò)創(chuàng)建微流體通道展示了這一過(guò)程的多功能性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了可降解的屏障來(lái)引導(dǎo)細(xì)胞遷移。

▲布朗大學(xué)的標(biāo)志印在藻酸鹽水凝膠上

水凝膠是高含水量的具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，而且在許多不同領(lǐng)域的研究中有重要應(yīng)用。盡管含有大量的水，但是由于交聯(lián)聚合物鏈之間具有很強(qiáng)的相互作用，水凝膠將表現(xiàn)出固體特性行為。但是，由于缺乏對(duì)這些交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)控的了解，水凝膠的使用受到了極大限制。

Valentin和他的同事們用海藻酸鹽、金屬陽(yáng)離子鹽和敏光引發(fā)劑制備水凝膠。當(dāng)用激光照射時(shí)，敏光引發(fā)劑使金屬鹽溶解在溶液中，產(chǎn)生游離的金屬陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子與聚合物結(jié)合，而且由于它們之間的電荷作用，促進(jìn)了聚合物鏈之間的離子交聯(lián)。水凝膠的連續(xù)層可以通過(guò)
photopatterning這種“自下而上”技術(shù)交聯(lián)，有利于產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)。對(duì)凝膠成分進(jìn)行優(yōu)化后，研究人員使用光基3D打印技術(shù)制作了高度為1.7mm、垂直分辨率為250μm的階梯式結(jié)構(gòu)。

與聚合物之間永久共價(jià)鍵的常規(guī)交聯(lián)路線方式相反，水凝膠的離子交聯(lián)是完全可逆的，這使得水凝膠材料能夠根據(jù)需要隨時(shí)快速降解。由于這種電荷相互作用是完全可逆的，所以通過(guò)螯合作用，離子與金屬結(jié)合。向溶液中加入螯合劑，可以解離與聚合物結(jié)合的金屬陽(yáng)離子，從而破壞交聯(lián)以及水凝膠網(wǎng)絡(luò)。

采用這種新方法，藻酸鹽凝膠成功地模板化了二次材料；瓊脂糖是一種來(lái)自海藻的水凝膠。在藻酸鹽凝膠內(nèi)，瓊脂糖在成型的凝膠周圍凝膠化，加入螯合劑可降解藻酸鹽凝膠結(jié)構(gòu)，而瓊脂糖凝膠并不受此過(guò)程的影響，所以結(jié)構(gòu)和性能都維持原來(lái)的樣子。第一作者Ian Wong將制備與降解過(guò)程描述為“有點(diǎn)像樂(lè)高積木”。我們可以將聚合物連接在一起構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，然后在生物相容性條件下再次悄悄地分離它們。

通過(guò)利用材料的生物相容性，并控制藻酸鹽水凝膠的成型與降解，揭示了乳腺細(xì)胞中新細(xì)胞的遷移行為。藻酸鹽水凝膠中成型的結(jié)構(gòu)在空間上將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)限制到某些區(qū)域，隨后藻酸鹽降解，將未占據(jù)的區(qū)域提供給進(jìn)入的細(xì)胞。細(xì)胞的行為表明，最前面細(xì)胞的遷移有理順細(xì)胞成型初始幾何形狀的作用。兩天內(nèi)細(xì)胞通過(guò)移動(dòng)占據(jù)所有可用區(qū)域，在整個(gè)成型和降解過(guò)程中顯示，細(xì)胞活力不會(huì)明顯衰減。

未來(lái)的工作計(jì)劃是提高空間分辨率，以及控制機(jī)械性能和降解動(dòng)力學(xué)。成型凝膠3D技術(shù)的發(fā)展也為其他離子交聯(lián)凝膠打開(kāi)了大門(mén)，以這種方式成型，革新了許多不同領(lǐng)域的研究方向。

來(lái)源： 材料科技在線
延伸閱讀：
3D打印技術(shù)在進(jìn)化：3D梯度水凝膠提供人造細(xì)胞生態(tài)位