用於組織工程支架的3D列印氧化石墨烯水凝膠

石墨烯材料的3D列印技術受限於材料的強度，還有待於進一步優化。清華大學孫偉和龐媛課題組、重慶大學付乾課題組合作在期刊Biotechnology and Bioengineering (IF=4.002)發表題為Ferric ion crosslinking‐based 3D printing of graphene oxidehydrogel and its evaluation as bio‐scaffold in tissue engineering 的文章，利用鐵離子交聯劑提高了氧化石墨烯水凝膠的材料強度和3D列印性能，通過冷凍乾燥技術優化了列印材料的圍觀孔隙結構，並探索了該列印結構在肝組織工程的應用前景。

石墨烯材料的3D列印

氧化石墨烯是氧化還原法製備石墨烯的前體，不僅具有良好的強度和導熱性能，同時也具有良好的生物相容性，極低的密度和加速幹細胞分化的能力，因此在組織工程領域有著良好的應用前景。然而當前基於石墨烯材料的3D列印技術中為了達到理想的材料強度，有些需要較長時間的蒸發或凍幹以提高材料濃度，有些則需要引入較高比例的增稠劑。石墨烯材料較為簡單便捷、低成本的3D列印技術還有待開發。

基於鐵離子交聯的氧化石墨烯水凝膠

已有研究表明，二價以上的過渡金屬離子通過配位作用有助於氧化石墨烯溶解交聯生成凝膠。本次研究考慮到三價鐵離子具有較高的配位數和較低的生物毒性，採用鐵離子作為氧化石墨烯水凝膠的交聯劑，以提高其機械強度和列印性能。流變測試顯示，在溶解度以內，提高鐵離子濃度將提高凝膠靜態和動態強度。同時通過列印結構的網格形狀分析，得出鐵離子濃度的提高同時會提升凝膠材料的列印性能。因此選擇鐵離子最高溶解濃度，也就是8mMol/L，作為最優化的鐵離子濃度。

圖（a）氧化石墨烯與鐵離子交聯示意圖

圖（b-d）交聯前氧化石墨烯水凝膠的機械性能
（b: 儲能模量與損耗模量，c:粘度，d: 剪切應力）

圖（e-g）不同濃度的鐵離子對於氧化石墨烯水凝膠性能的影響
（e: 彈性模量與屈服應力，f: 儲能模量與損耗模量，g: 列印性能）

圖（h）不同鐵離子濃度得到的列印網格形狀

基於優化的氧化石墨烯凝膠材料，該研究基於上普生物的ALPHA-CPT1生物3D印表機，通過擠出式3D列印得到了不同絲直徑和絲間距的網絡結構。進一步，通過冷凍乾燥技術在結構中建立微孔結構，以便細胞貼附以及營養物質運輸。通過控制該工藝過程中的冷凍溫度，該研究也對列印結構的孔隙結構進行了優化。

最後，為了驗證該列印結構作為組織工程生物支架的應用前景，將肝細胞系HepaRG接種到結構中並進行了2天的培養，並測量了細胞密度和活性。良好的細胞活性證明該材料具有較好的生物相容性，使得該結構成為構建肝組織體外模型的一個新的選擇。

圖（a-c）-80℃冷凍條件凍幹後得到的孔隙結構與大小分布

圖（d-f）-20℃冷凍條件凍幹後得到的孔隙結構與大小分布

圖（g-i）在梯度溫度場下冷凍後得到的定向孔隙結構

總結

該研究通過鐵離子交聯劑，優化了基於氧化石墨烯水凝膠的機械強度和3D列印性能，簡化了3D列印工藝。同時3D列印與冷凍乾燥技術相結合，實現了同時具備宏觀孔隙和微觀孔隙的二級孔隙結構，便於實現細胞與微生物的貼附、營養物質的運輸。基於HepaRG的細胞實驗證明了該結構良好的生物相容性。總結而言，該研究為肝組織組織工程研究提供了優良的生物直接結構，具有較高的應用前景。