江南大學陳敬華團隊：可用于4D打印的結構動態(tài)響應明膠基水凝膠

來源： EngineeringForLife

近年來，具有形狀記憶效應的3D可打印水凝膠成為了可用于4D打印的新型材料。形狀記憶效應使材料具有特定的臨時形狀和形變后逐漸恢復原狀的特點，這使得4D打印材料被賦予了動態(tài)功能，可以控制一些結構的動態(tài)響應。然而，大多數基于形狀記憶的4D打印水凝膠是由合成的有機聚合物制備的，通常生物相容性較差。而另一方面，由天然聚合物制成的水凝膠，如膠原蛋白、明膠或透明質酸，又往往缺乏良好的機械強度。因此具有形狀記憶效應的可打印水凝膠如何更廣泛地用于生物醫(yī)學領域，在學界仍是具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

近期，江南大學陳敬華團隊在Biomacromolecules 上發(fā)表題為：Structurally Dynamic Gelatin-Based Hydrogels with Self-Healing, Shape Memory, and Cytocompatible Properties for 4D Printing的研究論文，通過在明膠基水凝膠中嵌入超支化交聯劑HPASi，使得水凝膠的生物相容性和機械強度都得到了增強。明膠基水凝膠以明膠和聚乙二醇為原料，通過動態(tài)共價亞胺/Diels−Alder反應和超分子氫鍵網絡結構連接。通過進一步與含有多種超分子氫鍵的超支化三乙氧基硅烷試劑（HPASi）進行二次交聯，水凝膠的自愈性和形狀記憶效應都得到了增強。研究人員利用EFL品牌的擠出式生物3D打印機（BP6601）打印了具有動態(tài)響應的4D結構。該水凝膠具有良好的機械強度和3D打印性能，同時也具有良好的細胞相容性。這些優(yōu)異性能使本研究中的形狀記憶水凝膠在生物醫(yī)學、傳感器和新型柔軟機器人等廣泛領域都具有巨大的應用潛力。

圖1 水凝膠制備工藝示意圖

圖2  (a)不含HPASi的水凝膠的形狀記憶效果；4D特性(b)關閉燈泡，(c)花瓣閉合，(d)承受5g重量

圖3  (a)3D打印過程和(b)3D打印網格結構

圖4 不同條件下打印的網格的形狀記憶效果：(a) HPASi濃度為5.0 mM，25°C下的4×4網格；(b)溫度調整為65°C；(c)濃度調整為3.75 mM；(d)網格尺寸調整為6×6

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00924