目前臨床上對小口徑管狀結(jié)構(gòu)支架（Φ < 6 mm）的需求長期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，給小口徑管狀組織工程再生重建領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大的機(jī)遇及挑戰(zhàn)。盡管同軸三維（3D）打印技術(shù)在模擬構(gòu)建人體小口徑微管組織方面已取得較大進(jìn)展，但是通過這些方法所構(gòu)筑的微管普遍存在力學(xué)性能不足、固有溶脹特性難以控制等缺陷，這嚴(yán)重阻礙了其作為承載管狀組織的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。為了解決上述存在的問題，開發(fā)兼具可打印、優(yōu)異力學(xué)性能能和生物相容性的高強(qiáng)度打印墨水具有重大的研究價(jià)值和意義。
高強(qiáng)度水凝膠已被證實(shí)可作為3D打印的理想候選墨水，所構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支架，具有機(jī)械穩(wěn)定性，可用于承力組織再生與功能重塑重建。近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所人體組織與器官退行性研究中心阮長順研究員團(tuán)隊(duì)、潘浩波研究員團(tuán)隊(duì)與天津大學(xué)材料學(xué)院劉文廣教授團(tuán)隊(duì)合作，成功開發(fā)了基于納米粘土（Nanoclay）/?N-丙烯酰甘氨酸酰胺（NAGA）/明膠甲基丙烯酰（GelMA）構(gòu)筑了一種氫鍵增強(qiáng)的高強(qiáng)度納米復(fù)合醫(yī)用水凝膠墨水（簡稱CNG?打印墨水），結(jié)合3D同軸打印技術(shù)成功構(gòu)建具有高韌性、超拉伸性、抗壓性、快速自恢復(fù)性能的小口徑微管，其中拉伸強(qiáng)度高達(dá)22 MPa，拉伸率高達(dá)500%，楊氏模量約21 MPa，抗疲勞性能可達(dá)200次循環(huán)，爆裂壓力約為2500 mmHg，縫合線保持強(qiáng)度達(dá)280 gf，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于先前打印的微管。該相關(guān)研究成果以“Coaxial Scale-up Printing of Diameter-tunable Biohybrid Hydrogel Microtubes with High Strength, Perfusability and Endothelialization”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials。論文通訊作者為阮長順研究員、潘浩波研究員和劉文廣教授，第一作者為深圳先進(jìn)院博士研究生梁青飛。
高強(qiáng)度打印墨水的可打印性分析
聚N-丙烯酰甘氨酸酰胺（PNAGA）水凝膠（Adv. Mater 2015, 27:3566-3571）是一種具有熱塑性和自身修復(fù)特性的高強(qiáng)度超分子聚合物，而甲基丙烯?；髂z（GelMA）是一種化學(xué)改性明膠基生物高聚物，由于其光誘導(dǎo)凝膠化、生物相容性、生物降解性以及生物活性，已被廣泛應(yīng)用于組織再生支架的生物墨水制備。然而，可打印性差、力學(xué)性能不足等問題嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用，尤其是在承載組織結(jié)構(gòu)的三維打印中。因此，本研究利用納米黏土觸變特性和增稠作用，構(gòu)建了新型混合高強(qiáng)度水凝膠3D打印墨水，成功實(shí)現(xiàn)3D同軸打印技術(shù)高強(qiáng)度小口徑類血管支架的構(gòu)建（圖1 A）。通過調(diào)節(jié)打印墨水成分（Clay/NAGA/GelMA）組成（圖1 B），實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的可打印性能，取決于納米粘土和聚合物鏈之間的物理互穿作用，可導(dǎo)致這種打印墨水呈現(xiàn)出完美的可打印性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，顯著地提高了打印具有尺寸可調(diào)和可伸縮微管的沉積精度（圖1 C-D）。
圖1同軸3D打印構(gòu)建微管。
A） CNG墨水結(jié)合同軸打印技術(shù)一步法制備小口徑微管；B）CNG油墨水物料可打印性篩選；C）?流變檢測CNG墨水在25°C下的粘度測量和流變行為；D） CNG100-9:1墨水通過單層/雙層同軸噴嘴生成超細(xì)纖維。
可調(diào)直徑微管的同軸打印
此外，如圖2A所示，通過調(diào)整同軸噴嘴的外部尺寸（0.5-3.0 mm）和內(nèi)部針頭尺寸（0.3-2.0 mm），可以輕松地調(diào)控微管的外徑（OD）、內(nèi)徑（ID）和壁厚（Wall），以滿足機(jī)體中不同部位管狀結(jié)構(gòu)的尺寸范圍。本研究成功實(shí)現(xiàn)了外徑可調(diào)范圍為0.5至3.0 mm的微管（圖2B），與之前的研究相比，其在管狀組織中的潛在利用范圍更廣，因?yàn)橹暗难芯恐荒軇?chuàng)建有限尺寸微管。為了更好地說明打印微管尺寸的可控性，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有相同外徑但不同內(nèi)徑（圖2C Ⅰ，Ⅱ）、相同外徑但不同內(nèi)徑（圖2D Ⅰ，Ⅱ）以及相同壁厚但外徑和內(nèi)徑不同的微管（圖2E Ⅰ，Ⅱ）。同時(shí)，通過這種簡便的方法，成功地獲得了直徑小于1mm的微管。
圖2?三維同軸打印制備尺寸可控的小口徑管狀支架
A Ⅰ，Ⅱ）同軸針頭的示意圖和尺寸可控性；B）不同直徑的小口徑管狀支架（0.5 mm – 3.0 mm）；C Ⅰ，Ⅱ）相同外徑不同內(nèi)徑的微管；D Ⅰ，Ⅱ）相同內(nèi)徑不同外徑的微管；E）相同壁厚，不同外徑的微管；F Ⅰ，Ⅱ）直徑小于1 mm的微管。
微管的力學(xué)性能表征
如圖3A-B所示，本研究構(gòu)建的微管，在電動(dòng)機(jī)械測試儀上拉伸的微管的長度是原始長度的4-5倍左右，表明其強(qiáng)大的機(jī)械拉伸性能。特別是CNG100-9:1微管的抗張強(qiáng)度為22 MPa，斷裂伸長率為~500%，楊氏模量為21 MPa（3C），完全滿足了小直徑管狀組織的機(jī)械要求。同時(shí)，本文還通過DMA蠕變模式探索了具有相同壁厚的微管的抗疲勞性能。在室溫下經(jīng)過200次循環(huán)后（圖 3D，E），這兩個(gè)以3D打印為主的水凝膠微管仍可以保持完整，并且在測試前后，微管的形態(tài)沒有顯著差異（圖3 F，G），這表明其具有出色的CNG水凝膠微管的抗疲勞性能。這些獨(dú)特的性能將使這些微管的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在血管組織工程中。
為了進(jìn)一步考察小口徑管狀結(jié)構(gòu)支架是否適合作為血管移植物的候選物，本章將對其進(jìn)行了抗爆破壓和縫合線保持強(qiáng)度測試（圖4 A-B）。本研究打印的微管在不同的組分下達(dá)到了更高的破裂壓力約為~1500 – 2500 mmHg。這種優(yōu)異的爆破壓力也高于人大隱靜脈的爆破壓力（1599 ± 877 mmHg）（圖4 A）。同時(shí)，如圖4 B所示，NAGA / GelMA = 9:1-3 / 0.3微管顯示了約280 gf的最高斷裂縫合強(qiáng)度，幾乎是大鼠主動(dòng)脈（約141 gf）的兩倍。綜上所述，這些力學(xué)性能特征強(qiáng)烈說明3D同軸打印技術(shù)制備的水凝膠微管具有良好的血管移植條件。圖 4 C-G展示了打印微管的承重能力。其中，微管能夠最高承受1 kg的重量，并且可以拉伸到其原始長度的4倍以上，從而進(jìn)一步證明了其出色的韌性和拉伸強(qiáng)度，這是以前從未報(bào)道過的。
微管的快速自我恢復(fù)能力對于小口徑微管組織也非常重要。在研究中，用鑷子反復(fù)捏緊后，微管可立即恢復(fù)到其原始尺寸（圖 5 A、C）。在1.5 kg重量的壓縮12 h后，CNG100-9:1微管可在覆水后恢復(fù)到其原始形狀，而沒有發(fā)生嚴(yán)重的變形（圖 5 B、D）。有趣的是，微管經(jīng)過打結(jié)拉伸后，重新注入紅染料液體而沒有任何泄漏，表明它們具有良好的回彈力（圖 5 E，F(xiàn)）。
小結(jié)
本研究表明，通過3D同軸打印技術(shù)可以制備具有尺寸可調(diào)的高強(qiáng)度生物復(fù)合水凝膠小口徑管狀支架。生物復(fù)合的水凝膠生物墨水具有出色的可打印性和自支撐性，主要?dú)w功于物理互穿、化學(xué)交聯(lián)和可逆的NAGA氫鍵鍵合的相互作用。通過調(diào)節(jié)同軸打印的程序即可獲得連續(xù)穩(wěn)定的水凝膠微管并且微管的長度和直徑可通過調(diào)控同軸噴嘴的外部/內(nèi)部針頭的尺寸來控制。此外，該提出的策略適合用于擴(kuò)大生產(chǎn)具有可變直徑的微管。重要的是，CNG水凝膠微管顯示出溶脹穩(wěn)定性、高韌性、超拉伸性、抗壓縮性、快速的自恢復(fù)特性等。本研究為擴(kuò)大高強(qiáng)度微管的規(guī)模化制造開辟了一種通用且簡便的方法，該技術(shù)在管狀組織的再生中具有巨大的潛力。
圖3?CNG水凝膠小口徑微管的拉伸機(jī)械性能分析
A-B）CNG水凝膠小口徑管狀支架的拉伸；C）楊氏模量；D-E）循環(huán)拉伸；F-G）循環(huán)拉伸測試前后樣品變化圖。
