《Chem. Rev.》擠出生物油墨凝膠可印刷性的物化因素

【科研摘要】

生物印刷研究人員一致認為，「可印刷性」是生物墨水發展的關鍵特徵，但該術語的含義或實驗測量其的最佳方法都尚未建立。此外，關於確定生物墨水可印刷性的潛在機制知之甚少。對這些機制的透徹了解是新生物墨水有意設計的關鍵。可印刷性域定義為生物墨水要求，這些要求是生物印刷所特有的，並且發生在印刷過程中。美國威克森林再生醫學研究所Sang Jin Lee教授團隊在8月《Chemical Reviews》綜述了題為『『Physical and Chemical Factors Influencing the Printability of Hydrogel-based Extrusion Bioinks』』一文。對可印刷性的不同方面以及影響它們的因素進行了回顧。就生物墨水的流變性，詳細研究了其可擠出性，細絲分類，形狀保真度和印刷精度。化學結構和印刷參數。討論了這些關係，並確定了需要進一步研究的領域。這項審查有助於生物墨水的開發過程，該過程將繼續在生物列印，組織工程和再生醫學的成功與失敗中扮演重要角色。

1. 簡介

生物工程改造人體各種組織或器官的能力是現代研究和醫學領域極力追求的目標。組織工程策略利用細胞，信號分子和生物材料來產生最終的組織樣產物。儘管利用這些策略已顯示出相當大的成功和隨時間的改進，但對個性化，大規模，可植入組織構造的需求不斷增加。未來的關鍵是將要利用的製造工藝。製造過程決定了可使用的材料，可以創建的架構以及最終產品的時間和成本。

增材製造（也稱為3D列印）正在導致社會產品的製造方式發生巨大變化。在組織工程策略中也引起了極大的興趣。解剖結構通常在患者和疾病進展之間異常，複雜且高度可變，相對於更傳統的技術（例如機加工和成型），其優勢在於增材製造的靈活性。組織工程領域已經採用了許多不同類型的增材製造方法，以與生物材料和細胞配合使用，稱為「生物列印」。其中最常見的是基於擠出的生物列印。基於擠出的生物列印可以輕鬆地合併多種材料類型，如果需要在生物材料，細胞類型或信號分子方面存在任何區域差異，則必須採用這一策略。

為了確保成功進行基於擠壓的生物列印，首先是適合通過自動生物製造技術進行處理的細胞配方材料，其中也可能包含生物活性成分和生物材料。這些材料稱為生物墨水，必須滿足許多困難的要求。首先，它們必須具有生物相容性並且對細胞無毒，並且如果植入後不能促進宿主免疫反應。細胞必須直接懸浮在這種材料中，這既需要足夠薄的材料來均勻混合細胞，又需要足夠厚的材料來保持這種分布並防止細胞沉降。細胞封裝還必須使生物墨水主要由水組成，因此，使用水凝膠。生物墨水必須提供生物活性/細胞附著位點，以允許細胞存活，附著和增殖。它們必須具有適當的機械性能，在驅動細胞行為以及承受處理和植入過程中的機械力方面都最好與組織應用相匹配。適當的溶脹和降解特性也是必要的。營養物質（例如葡萄糖和氧氣）必須能夠通過材料擴散，以允許細胞在構建體最深處存活。最後，生物墨水還應通過在靶組織的ECM中發現的天然衍生的聚合物，蛋白質和結合位點來指導細胞行為。

這些要求是大多數組織工程應用程式所共有的。對於生物列印過程，生物墨水應滿足三個基本要求：相對較高的粘度，以保持細胞懸浮均勻並提供初始結構完整性；強大的剪切稀化行為，以最大程度減少列印過程中受剪切應力驅動的細胞損傷；以及快速交叉列印後的連結過程。

該綜述重點關注影響3D生物列印過程特有的基於水凝膠的生物墨水可印刷性的物理和化學因素。特別是，概述了可能影響可印刷性不同方面的潛在機理，並提出了具有動態交聯網絡（物理相互作用和動態共價鍵）的新型水凝膠，可用於基於細胞的微擠出生物印刷。

【圖文解析】

2. 可印刷性

生物墨水有許多特定於生物印刷過程的要求。這些要求涵蓋了生物墨水「可印刷性」的不同方面。從最廣泛的意義上講，可印刷性僅指被印刷的能力。為了進行此審查，將考慮以下定義：「材料在經受特定的一組印刷條件時能夠以導致給定應用所需的印刷結果的方式進行印刷。」

生物油墨必須克服的可印刷性的第一方面是從微米級噴嘴尖端擠出。這種能力有時被稱為生物墨水的「可擠出性」。如果用太大的力擠出材料，細胞將因剪切應力而永久損壞。此外，由於無法輕易實現更高的流速，因此列印時間將更長。結果，如果生物墨水對擠出力的要求過高，則無法使用。擠出後，還必須以可預測的方式沉積生物墨水。研究人員使用細絲分類系統來描述生物墨水可以形成的細絲的不同類型。在其尖端形成液滴的生物墨水會急劇散布並粘附在自己身上。需要連續的細絲，並且這些細絲可以是均勻的（光滑的）或不均勻的（蓬鬆的，彎曲的）。生物印表機可以輕鬆控制平滑的長絲沉積，但是不均勻的長絲可能會偏離列印路徑，並在其整個長度上具有可變的橫截面。生物墨水沉積後，必須保持所需的形狀，因為多層沉積在其頂部。生物墨水的這種「形狀保真度」限制了生物墨水能夠在結構上完成的最終尺寸和形狀。最後，根據應用場合，可能需要不同的印刷條件（噴嘴尺寸，印刷速度等），進一步限制了整個系統。受印刷條件影響，印刷構造與所需尺寸的相似性可以稱為「印刷精度」。可印刷性一詞已被用來分別描述這些要求。但是，如果在這些區域中的任何一個發生故障，生物墨水都無法進行生物印刷。因此，本綜述將把這些因素中的每一個視為可印刷性的奇異方面。

2.1 關於生物墨水開發的思考

在生物墨水受到所有限制和要求的情況下，可用的生物墨水仍然是生物印刷的主要限制也就不足為奇了。研究人員將從當前生物墨水的改進和擴展的生物墨水調色板中受益匪淺。文獻中已經提出了許多水凝膠和水凝膠組合。但是，每個領域至少在一個領域，有時甚至在多個領域都有很大的改進空間。造成這一困難的原因是，對生物墨水提出的許多要求直接相反。在許多情況下，在沉積時特別好地保持其形狀的生物油墨也需要最大的壓力才能擠出。這種折衷可以通過各種策略來部分規避，這些策略包括快速的後印刷交聯或膠凝，支持液的使用以及表現出特別高的剪切稀化性的生物墨水。另外，儘管在生物墨水的生物活性和組織特異性潛力方面經常取得長足進步，但這些生物墨水通常並不十分適合生物印刷，反之亦然。例如，Pluronic F127為擠出生物印刷提供了出色的可印刷性，但受到其生物學特性的限制。同時，脫細胞的細胞外基質（dECM）由於具有高的組織特異性生物活性而被轉換為生物墨水，但形成了非常弱的凝膠，當進行生物列印時無法自行保持其形狀，必須通過補充策略來彌補。

生物墨水的發展是一個不斷發展的領域，其主要目標是克服這些種種限制。關於可印刷性，生物墨水的發展本身受其對影響可印刷性的潛在機制的理解的限制。影響可印刷性的因素眾多，複雜且相互關聯。已經確定了印刷條件，材料特性和可印刷性之間的許多關係。然而，這些發現中有許多是模稜兩可甚至矛盾的，還有更多的關係尚未研究。在生物墨水開發過程中，此知識用於設計，優化和改進生物墨水。在缺乏的地方，研究人員必須使用反覆試驗來進行工作，並使用不太理想的結果向前邁進。這篇綜述的目的是研究這些各種關係，以期增進對可印刷性及其影響因素的更好的理解和更全面的認識，進而改善生物墨水的開發過程，從而改善可印刷性。

2.2 適印性指標

為了調查影響可印刷性的因素，需要對用於量化可印刷性的措施有清楚的了解。本節將簡要介紹該主題。並非所有針對生物墨水的要求（非特定於印刷過程的要求）都應考慮在可印刷性範圍內。考慮了可擠出性，長絲類型，形狀保真度和印刷精度的不同度量。

可擠出性只是指生物墨水可以通過小直徑噴嘴擠出的容易程度，從而影響總處理時間和細胞活力（圖1A）。生物列印過程中的細胞活力與注射器中細胞所經歷的壓力，噴嘴中細胞所經歷的剪切應力以及細胞在注射器中所花費的時間有關，因此研究人員有時會間接量化在生物列印過程之後立即通過活/死分析測定其系統的可擠出性。其他人使用擠出壓力作為可擠出性的量度。這既可以是達到指定流速所需的壓力，無論給定壓力是否能夠實現流量，或者可以是導致系統中流量的最小壓力。關於生物墨水可擠出性的更複雜的度量涉及流變學度量，例如剪切速率-粘度關係和冪律常數，將在後面的部分中進行介紹。

圖1. 不同方面可印刷性。

細絲類型可以很容易地定性確定。幾位研究人員通過將生物油墨擠出到空氣中而不是在基材上進行測試，並將擠出材料的形狀分為液滴或細絲（圖1B）。形成細絲的生物油墨可以通過細絲是光滑的還是細絲來進一步分類。正如其他一些研究人員所觀察到的，沉積後不均勻的細絲可以更容易地被識別。但是，燈絲類型最有效的度量是定量的。沉積之後，可以由長絲製成各種尺寸，包括相對於理想正方形的方孔的周長，相對於直線的單根長絲的周長以及長絲寬度的可變性。生物墨水的形狀保真度通常以單根細絲的寬度和/或高度來衡量（圖1C）。儘管易於評估，但該措施極易受到沉積的材料數量以及與表面基材相互作用的影響。已經以多種方式測量了列印精度。其中一些措施與形狀保真度的措施非常相似（圖1D）。關鍵區別在於，列印精度測量結果將比較不同列印條件下的常見生物墨水，而形狀保真度測量結果將比較常見列印條件下的不同生物墨水。

3. 印刷結果與流變性質之間的關係

流變學是研究物質流的物理學分支。它已被證明對生物墨水的開發非常有用，並且有幾種流變學測試可應用於生物印刷。大多數水凝膠表現出非牛頓行為。在牛頓流體中，剪切速率與剪切應變之間的關係是線性的，粘度在各個應變速率之間保持恆定。另一方面，水凝膠通常具有剪切稀化作用，這意味著它們的粘度會隨著剪切速率的增加而降低，從而有利於流動。隨著剪切速率的增加，材料的表觀粘度降低，從而與其他情況相比，在材料（重要的是孔）上具有較低的壓差和較低的剪切應力的情況下發生流動。這種特性通常通過掃頻來測量，其中材料在一定頻率或剪切速率範圍內以恆定應變進行測試（圖2A）。同樣重要的是材料的觸變性。一旦施加應變速率，觸變材料將隨時間顯示錶觀粘度降低。粘度的這種變化反過來會影響生物墨水隨時間的流動。觸變性有時會與剪切稀化相混淆，因為這兩種性質都會導致粘度降低，但剪切稀化會隨著應變速率的增加而發生，而觸變性會在給定應變速率下隨時間而發生。材料也可以是剪切增稠的（剪切稀化的對面）和流變色的（觸變質的對面），但是這些對於生物印刷是非常不希望的。

圖2.與生物墨水可印刷性相關的常見流變學指標。

水凝膠材料還表現出粘彈性，這意味著它們的行為由粘性和彈性成分共同決定。彈性成分由儲能模量（用G&39;&39;&39;）之比。tanδ表示粘性和彈性成分對材料的相對貢獻，值小於1的材料具有較高的彈性貢獻，值大於1的材料具有較高的粘性貢獻。通常，這些特性是通過應變或應力掃描在線性粘彈性區域（LVR）中測量的。頻率保持恆定，應力或應變增加，整個LVR的儲能模量，損耗模量和tanδ均保持相對恆定（圖2B）。最後，流變學已用於測量水凝膠從擠出中恢復的能力。恢復測試分三個步驟進行。起初，將非常低的剪切速率應用於材料，以模擬預擠出條件。隨後是旨在模擬擠出的高剪切速率。再接著，將材料恢復到初始剪切速率，以模擬擠出後的條件（圖2C）。

4. 列印結果與工藝參數之間的關係

某些可印刷性度量會受到印刷過程的影響。這些可印刷性的度量包括：線寬，角解析度，角規則性，孔尺寸和長絲水平保持力。通過改變過程參數集來控制可印刷性的度量。這些可印刷性的度量已通過視覺進行了定性或定量評估。通過肉眼和判斷進行了定性評估。定量評估包括照相機或顯微鏡拍攝的照片，然後使用諸如ImageJ的軟體進行圖像分析。

4.2 通過工藝參數改善可印刷性

受工藝參數影響的主要研究可印刷性措施包括線寬和線高（圖4）。這種區別來自報告文獻中僅定量的評估；定性評估未包括在圖4中。但是，對這些發現進行了定性總結，因為諸如不同材料之類的因素造成了結果的顯著差異。不管材料特性在不同的擠出印刷系統中發揮的作用如何，趨勢都是普遍的。

圖4.可印刷性度量與工藝參數之間的關係，以控制線寬和線高（橫截面幾何形狀）。

5. 物理相互作用

通常通過通過物理相互作用或化學鍵形成的交聯網絡來製造水凝膠。物理交聯的水凝膠的特徵在於網絡與弱的非共價相互作用緊密相連，包括氫鍵，疏水相互作用，離子相互作用，主體-客體相互作用，金屬-配體相互作用和π-π堆積相互作用。這些可逆的相互作用使大多數物理水凝膠由於動態流變特性而具有良好的可印刷性，這對於基於微擠壓的印刷工藝非常有利。在本節中，著重於（i）氫鍵作用，（ii）主體與客體之間的相互作用以及（iii）金屬與配體之間的配位，這些化合物由於其多功能性而在最近出現的剪切稀化和自修復水凝膠中主要使用以及化學方面的靈活性，從而可以採用多種新的設計方法。對於其他類別的物理相互作用（如離子，疏水和π-π相互作用）的詳細討論，請讀者參考各種近期的出色評論，這些評論描述了剪切稀化和/或自愈物理水凝膠形成的設計策略。

5.1 氫鍵

氫鍵是非共價動態相互作用，其中連接到負電性原子（例如氧，氮和氟）的氫原子與其他鄰位負電性原子形成部分分子間鍵合相互作用。

5.1.1 基於酚類化合物的相互作用

Shin等。報導了在存在富含沒食子醇的交聯劑寡表沒食子兒茶素沒食子酸酯（OEGCG）的情況下，與沒食子酸酯結合的透明質酸（HA-Ga）的快速自發凝膠化的現象（圖5A）。水凝膠形成的主要驅動力是多重的膽甾醇與膽甾醇和氫氧根之間的氫鍵相互作用（圖5B）。流變學研究表明，儲能模量（G&39;&39;值為341.6±53.6 Pa，而比率為0.5時，水凝膠顯示G&39;和G&39;恢復到其初始值的92％和80％（圖5D），並且G&39;&808080; --tt-darkmode-color: 808080; --tt-darkmode-color: 39;在整個頻率範圍內均佔主導地位（圖6E），超分子水凝膠柔軟但具有高彈性（tanδ<0.2）。水凝膠的粘度隨著剪切速率的增加而降低，表明水凝膠可以通過擠出過程注入（圖6f）。當兩個單獨的水凝膠碎片接觸時，觀察到快速癒合。此外，粘附的界面可以承受拉伸（圖6g，h）。< span=&34;>

圖6.（A）ABA三嵌段共聚物的化學結構。（B）在溫度轉換下製備的水凝膠的可逆溶膠-凝膠轉變的示意圖。（C）通過簡單的傾斜在低溫（4°C）和溫暖（37°C）條件下對UNONU和NON聚合物溶液進行膠凝測試。（D）在37°C下水凝膠的動態應變振幅循環試驗（γ= 0.5％和200％），顯示出快速的自愈特性。（E）水凝膠的頻率依賴性（在1％應變下）振蕩剪切流變學。（F）水凝膠的粘度測量（插圖：在室溫下水凝膠的注射測試）。（G）用剃鬚刀將水凝膠切成相等的兩半。（H）自愈水凝膠也可以承受拉伸。

5.2 主體-客體互動

大環化合物的兩大類是環糊精（CDs）和cucurbit[n]urils (CB[n]s)，它們是為與多種客體化合物絡合提供空腔空間的主體。這些基於主體化合物的超分子相互作用已得到利用 生產各種動態水凝膠。

Xu等開發了一種通過β-CD-金剛烷（Ad）主體-客體相互作用形成的自組裝導電水凝膠。通過3,4-乙撐二氧噻吩的氧化聚合反應合成導電聚合物（PEDOT：S-Alg-Ad）（EDOT）在金剛烷基改性的硫酸化藻酸鹽（S-Alg-Ad）存在下（圖7A）。PEDOT：S-Alg-Ad聚合物通過S-Alg-Ad中的金剛烷部分與聚β-環糊精（Pβ-CD）中的CD之間的主客體識別形成水凝膠（圖7B）。在流變學檢查中，水凝膠的粘度隨剪切速率的增加而降低，表明它們表現出剪切稀化行為（圖7C），可以通過水凝膠組成對其進行調節。這種特性使這種水凝膠可以輕鬆地包裹細胞，並可以注射形成3D構建體。而且，當去除所施加的應變時，該水凝膠可以通過多個循環（G&39;&808080; --tt-darkmode-color: 808080; --tt-darkmode-color: 39;和G&39;值取決於NP交聯的直徑（圖9E，F）。隨著BP-M NPs尺寸的增加，水凝膠的模量從Mg2 +系統降低到Ba2 +系統。對於基於TM的NP，與最小NP交叉交叉的HA-BP-Co水凝膠顯示最大的G&39;&39;急劇下降至低於G&39;的水平，表明水凝膠的剪切變稀行為。使用振蕩應變實驗也觀察到了極好的恢復能力（圖9G）。這項工作為控制金屬-配體配位水凝膠的動力學提供了有用的策略。考慮到它們作為生物墨水的可印刷性，可以根據金屬離子的種類輕鬆優化這些水凝膠的流變和機械性能。

圖9.（A）雙膦酸酯改性的透明質酸（HA-BP）的示意圖和分子結構。（B）通過BP-M配位，圍繞HA-BP大分子單體的接枝BP基團的BP-M NP的有效原位自組裝。（C）水凝膠網絡由BP-M NP穩定。（D）用於水凝膠製造的代表性元素（AEM和TM）和相應的二價陽離子的直徑。（E，F）分別用一系列AEM離子和TM離子製備的納米複合水凝膠的代表性振蕩流變分析結果。所有水凝膠均以相同濃度的離子，游離BP和HA-BP製備。（G）在交替的高（20％）和低剪切（0.1％）下的HA-BP-M納米複合水凝膠的流變數據。

6. 動態共價鍵

儘管物理上可交聯的水凝膠在微擠壓生物列印方面具有許多優勢，但基於水凝膠的列印結構的機械穩定性通常很低，並且這種弱的抗變形性通常需要後處理才能穩定3D組織結構。相反，用永久性共價鍵交聯的化學水凝膠在機械上更牢固，但是一旦形成交聯，網絡就不可逆轉。化學網絡的這種非動態特性限制了它們作為3D生物列印生物墨水的應用。通過化學凝膠化的3D組織構建體的當前製造方法通常是基於混合溶液的擠出，該混合溶液包含雙組分互補反應性聚合物或光/溫度介導的可聚合化合物。由於化學網絡是在擠出混合狀態下形成的，因此必須考慮影響凝膠行為的各種因素，包括混合溶液的均勻性以及混合速度，這一點至關重要。過快的交聯會導致噴嘴凝結，而過晚的交聯會導致擠出後擴散，因此無法生成自立的3D結構。

因此，動態共價鍵在新型水凝膠的產生中引起了極大的關注。動態共價鍵是特殊的化學鍵，在鍵合狀態和離解狀態之間處於恆定的平衡狀態。值得注意的是，這些鍵結合了化學鍵的強度和物理相互作用的可逆特性，可以顯示出動態的流變行為。通過動態共價鍵形成網絡的化學物質包括亞胺，，肟，二硫鍵和硼酸酯鍵的形成，以及Diels–Alder環加成反應。與這些具有永久性共價交聯鍵的動態凝膠交聯的水凝膠在載有細胞的3D構建體方面比具有永久性共價交聯鍵的凝膠具有優勢，因為這些鍵的動態重排使細胞易於移動並擴散到水凝膠結構中。

為了針對動態水凝膠的新設計方法，已經提出了基於超分子組裝，大分子化學，摻有膠體納米顆粒的複合方法等多種化學策略。大量研究提供了有關決定動態水凝膠流變性的結構-性質關係的大量信息。因此，設計方法的多樣性可以提供對具有可調流變特性的理想生物墨水的新見解。此外，新開發的設計策略可能會打破常規水凝膠的有限範圍，並可能為3D生物列印應用的理想生物墨水設計鋪平道路。在這篇綜述中，專注於在生理pH和溫度下展現其固有特性的動態水凝膠。因此，本節不討論其交換反應被外部刺激（例如pH或UV光）激活的基於動態共價鍵的動態水凝膠。這些動態共價鍵的實例包括苯硼酸酯-水楊基異羥肟酸酯鍵，苯硼酸酯-鄰苯二酚鍵和三硫代碳酸酯單元的改組反應。

6.1 亞胺鍵

席夫鹼的形成通常通過伯胺和醛之間的反應在溫和的生理條件下產生亞胺鍵而發生。

6.2 腙鍵

已知亞胺鍵易於水解，這在維持水凝膠的體內結構和機械穩定性方面可被認為是弱點。腙鍵與亞胺鍵緊密相關，是由醛和醯肼之間的反應形成的，與亞胺相比，展示了水解穩定性更高。腙形成是基於「點擊反應」，並且已經被廣泛追求以形成具有動態交聯網絡的各種水凝膠。

圖14.（A）雙交聯的HA-az-F127水凝膠。（B）在4–60°C的溫度範圍內，以1 Hz的頻率進行溫度掃描測試的水凝膠）。（C）粘度與剪切速率的關係。（D）在1 Hz下從連續階躍應變測量（1％→300％→1％）得到的Gel3的G&39;&808080; --tt-darkmode-color: FF0000; --tt-darkmode-color: 39;值迅速下降，並在23.5％處與G&39;相交（圖19E）。該發現表明SA鏈從A-aGO表面可逆地動態吸收和解吸將賦予水凝膠剪切稀化和優異的自愈特性（凝膠結構的快速恢復）。在交替的振動應變下，G&39;&39;-亞甲基雙（丙烯醯胺）（MBA），丙烯醯胺（AAm）和丙烯醯胺（AAm）的存在下，使用紫外線介導的聚合作用進一步化學交聯A-aGO/SA水凝膠。交聯劑。將A-aGO/SA/PAAm納米複合水凝膠製成各種3D結構。由於A-aGO/SA水凝膠具有適合3D列印的剪切稀化和自修復特性，因此具有良好的適印性，因此最終的UV處理結構具有出色的結構解析度和良好的機械穩定性。例如，可以印刷A-aGO0.2/SACa-6/PAAm水凝膠以構建具有自重支撐能力的中空五邊形結構（圖19G）。相比之下，由SACa-6/AAm和GO0.2/SACa-6/AAm水凝膠構成的相同結構顯示出低的自立能力並迅速塌陷（圖19H，I）。從生物列印的角度來看，這項工作的主要思想是在水凝膠形成之前，在藻酸鹽存在的情況下使用胺化GO的方法。使用這種化學方法，藻酸鹽通過非共價相互作用被有效地原位吸附在GO納米片的表面上。這防止了A-aGO的團聚，從而在水中提供了優異的膠體穩定性，反映出A-aGO可以分散在水相中的各個納米水平上。因此，單獨分散的A-aGO可以通過藻酸鹽和A-aGO之間的交聯相互作用建立強大的凝聚力。A-aGO可以作為有效的納米交聯劑形成水凝膠，並作為A-aGO/SA凝膠可印刷性的關鍵調節因子。流變性質支持了A-aGO/SA在控制具有明確定義的尺寸和形態的結構的可印刷性方面的重要性。考慮到化學性質，如果可以控制GO納米片的胺化程度，則可以更容易地調節確定水凝膠可印刷性的流變學和機械性能。

圖19.（A–C）製備A-aGO/SA/PAAm納米複合水凝膠的示意圖。（D）表觀粘度與A-aGO0.2/SACa-6和SACa-6水凝膠以及不含Ca2 +離子的SA溶液的剪切速率的關係。（E）對於A-aGO0.2/SACa-6和SACa-6水凝膠以及不含Ca2+離子的SA溶液，在1 Hz角頻率下，儲能模量G&39;&39;和G&39;隨時間的變化，其中紅色數字代表平均值振動應變為2％時的模量。（G）從A-aGO0.2/SACa-6/AAm水凝膠生物油墨（15層）印刷的空心五邊形，從頂部和側面觀察。從（H）SACa-6/AAm水凝膠和（I）GO0.2/SACa-6/AAm水凝膠墨水分別進行3D列印的空心五邊形圖案。

【陳述總結】

水凝膠實現期望的印刷結果的能力，稱為其可印刷性，一直是該領域的高度關注。研究人員可以使用許多工具來改善其生物墨水的可印刷性，包括改變化學性質，水凝膠組成，流變特性和印刷參數。生物墨水設計中最具挑戰性的方面之一是這些因素之間的相互關係。成分和化學性質會影響水凝膠對外力（流變性質）的響應以及可能適合使用的可操作印刷條件的範圍。如果沒有使用正確的印刷條件，即使是最佳的水凝膠也會導致不良的印刷結果。同時，儘管許多研究已經著眼於化學修飾如何影響不同水凝膠的流變性，但對可印刷性的轉換並不總是直接的。已經確定從可印刷性的角度來看，期望剪切稀化，屈服和快速恢復/自修復行為。但是，某些水凝膠可能表現出這些特性，但仍不足以實現所需的印刷效果。需要進一步的研究來改善這些關係的可預測性，並在生物墨水開發過程中進行更多的有意設計。

作為生物油墨的當前水凝膠在印刷之前和/或之後採用化學交聯，不僅調節可印刷性而且穩定最終印刷的構造。然而，存在一些缺點，包括這些水凝膠的有限的流變性和多樣性。因此，對新設計的水凝膠的需求迅速增長，該水凝膠可以調節流變學和機械性能以獲得所需的可印刷性。在這篇綜述中，提出了發展中的設計策略，以控制各種動態水凝膠的流變和機械性能。這些水凝膠是通過不同的化學設計形成的，以基於物理鍵或動態共價鍵建立可逆的交聯網絡。這些鍵的合理選擇或組合是確定所得水凝膠的膠凝動力學以及動態和/或機械行為的最重要因素。通過對近期表現出剪切稀化和自我修復特性的動態水凝膠的全面回顧，收集了許多有關化學設計的有用信息，這些信息可能會建立通用標準，在開發具有理想特性的最佳生物油墨時應將其考慮在內可印刷性。通過各種設計方法，已經提出了許多想法來識別影響微擠壓生物印刷用水基生物油墨的可印刷性的主要控制參數。對於基於物理相互作用的水凝膠，不僅可以通過選擇適當種類的互補對進行物理相互作用來調節流變學和機械性能，而且可以通過調整每種互補物質在物理相互作用中的濃度和組成比來對其進行調節。對於具有動態共價交聯的水凝膠，水凝膠的特性還可以通過幾個因素進行調節，包括反應類別，反應溶液的pH值，反應物濃度以及反應物之間的比例。類似地，還可以通過考慮針對基於物理和動態共價鍵的水凝膠描述的參數，在動力學和力學方面控制基於納米複合材料的超分子水凝膠。另外，納米顆粒類別是確定相應的納米複合水凝膠的物理性質的另一個關鍵參數。這些各種控制參數通過調節水相或納米顆粒表面上的分子相互作用，反應動力學以及水凝膠基質中的交聯密度來影響所得水凝膠的最終特性。通過這些各種控制參數的巧妙組合，可以開發出具有定製的流變和機械性能的新型動態水凝膠，以用作針對特定3D結構優化的生物墨水。

對於生物墨水的未來發展，基於化學的方法可能會提供重要線索，因為在凝膠動力學，流變和機械性能方面，設計策略對水凝膠性能的影響超過其他因素。儘管最近的化學方法已經顯示出開發符合3D生物列印要求的有用的水凝膠生物墨水的希望，但是從化學角度出發，應該做出持續的努力以改善可被人類使用的水凝膠的性能。除了新的化學策略外，將多個鍵結合在一個系統中的系統設計對於有效控制或改善水凝膠的可印刷性至關重要。使用這種方法，人們可能期望多重相互作用的協同作用增強機械強度，並在擠出後引起快速恢復，這是使用單類動態鍵無法實現的。可以認為在不同種類的物理鍵之間，在物理鍵和動態共價鍵之間或在不同種類的動態共價鍵之間，交聯網絡的鍵的幾種組合是可能的。作為一個例子，作者討論了通過冷凍凝膠化過程形成氫鍵誘導的交聯，肟基動態共價鍵基水凝膠的增強作用。目前，已經報導了多種相互作用的多種組合，並且這種設計方法還將成為控制各種動態水凝膠可印刷性的主流策略之一。

對於基於納米複合材料的動態水凝膠，系統設計需要考慮許多因素。添加劑的選擇可以擴展到以前從未考慮過的其他納米顆粒。儘管本綜述中介紹的納米顆粒類別是基於它們的頻繁使用而包括的，但是可以考慮使用多種多樣的聚合物，無機（金屬和金屬氧化物）以及有機-無機納米材料的各種表面作為生產動態水凝膠的新化學方法。納米顆粒的形狀（球形，棒狀，立方或片狀）和結構（無孔的固體，多孔或中空）及其比表面積也應考慮在內，以開發出新型的動態納米複合水凝膠。當前使用的納米粒子幾乎全部基於非彈性的無機硬球，而不管其原子組成和結構如何。然而，柔軟且柔性的納米結構，例如納米乳劑，納米氣泡和納米凝膠，已引起人們的關注。這些可變形的納米顆粒在設計動態水凝膠時可能會提供一些前所未有的見解，因為它們可能會在涉及剪切應力的擠壓過程中顯著影響水凝膠的流變性。從材料的角度出發，除了基礎研究之外，還應該對納米粒子變形對水凝膠整體動力學的影響進行系統的模擬研究。如上所述，納米粒子表面的表面化學也可以包括物理相互作用和動態共價鍵的多種組合。多種類型鍵的合理組合可以使水凝膠的可印刷性達到生產特定3D構建體所需的水平。

通過關注以上提出的各種建議，確信繼續努力將為生物墨水的下一階段開發帶來廣闊前景，從而可以更好，更準確地控制最佳的流變學和機械性能。最後，通過各種化學策略建立的先進設計標準無疑將為具有實際臨床應用價值的生物墨水的未來發展做出貢獻。

【導師簡介】

Sang Jin Lee是終身任職的副教授，並被維吉尼亞理工大學-維克森林大學生物醫學工程學院交叉任命。Lee教授獲得博士學位他於2003年在韓國漢城的漢陽大學獲得化學工程博士學位，並在哈佛醫學院和波士頓兒童醫院以及維克森林再生醫學研究所（WFIRM）的組織工程和細胞治療實驗室獲得了博士後獎學金。目前是一名教師。他撰寫了140多個科學出版物和評論，編輯了兩本教科書，並在幾本書中撰寫了35章。他目前的研究工作集中在：設計組織工程支架系統（皮膚，骨骼，軟骨，骨骼肌，腱/韌帶，血管，心臟和腎臟），用於生物工程複合體的3D集成組織器官列印（ITOP）系統，複合組織和實體器官，生物墨水的開發和可印刷性，生物材料與細胞/組織之間的生物粘附和生物整合，藥物/蛋白質遞送系統，生物綴合和聚合物合成，用於預處理的生物反應器系統，體外微生理系統以及基於NIR螢光的監測系統。

參考文獻：

doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00015

版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流膠體類材料學的研究進展及科研信息。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者改正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！