微波辅助甲基丙烯酸化透明质酸生物墨水的性能优化及其在3D生物打印中的应用

本研究针对传统透明质酸(HA)甲基丙烯酸化(HAMA)反应效率低、耗时长的瓶颈问题，开发了微波辅助EDC/NHS催化合成技术。通过优化微波功率(100-800 W)，在6分钟内实现78%甲基丙烯酸化度(DoM)，较常规方法提升37%，同时将纯化周期从3天缩短至1天。所得HAMA-100水凝胶展现出100%应变耐受性和应变硬化特性，为构建具有精确机械性能调控能力的生物墨水提供了绿色高效的制备方案。

　　

透明质酸(HA)作为天然细胞外基质(ECM)的主要成分，在组织工程领域展现出巨大潜力。然而传统HA水凝胶存在机械强度低、降解速度快等缺陷，通过甲基丙烯酸化(HAMA)修饰虽可改善性能，但常规合成方法需要24小时反应时间和复杂纯化流程。更棘手的是，反应效率低下导致的甲基丙烯酸化度(DoM)不足(通常<60%)，严重限制了水凝胶的可打印性和力学稳定性。

Bezmialem Vakif大学的研究团队创新性地将微波辐射技术引入HAMA合成过程。研究发现，在100 W功率下仅需6分钟即可获得DoM达78.9%的HAMA-100水凝胶，其储能模量(G')提升至常规样品的2.3倍，并能承受100%应变而不破裂。这种微波辅助合成的水凝胶展现出独特的应变硬化行为，在Axo A1生物打印机上成功实现高精度图案化打印。该成果发表于《Reactive and Functional Polymers》，为生物墨水的工业化制备提供了突破性解决方案。

关键技术包括：1) 多功率(100/250/800 W)微波辅助EDC/NHS催化合成；2) ¹
H NMR定量DoM；3) 流变仪分析应变耐受性；4) UV光交联(365 nm, 3000 mW/cm²
)成型；5) 生物打印机参数优化。

【材料与方法】
采用1.3×10³
kDa分子量HA为原料，通过AEMA甲基丙烯酸化试剂，比较传统加热与微波辅助(100-800 W)两种合成路径。DoM通过¹
H NMR的5.6 ppm和6.1 ppm特征峰积分计算。

【结果】

1. 微波合成效率：100 W功率下反应效率达78.98%，较常规法(57.51%)提升37%，反应时间从24小时缩短至6分钟。
2. 流变性能：HAMA-100储能模量达12.5 kPa，应变扫描显示临界应变点推迟至100%，呈现典型应变硬化曲线。
3. 打印优化：在25 kPa打印压力和8 mm/s速度下，HAMA-100墨水可保持直径200 μm的连续纤维形态。

【讨论】
微波辐射产生的介电加热效应促进了EDC/NHS催化剂分子定向排列，使AEMA更高效地接枝到HA的羧基位点。这种能量传递方式在聚合物网络中形成更均匀的交联密度，解释了应变硬化现象的成因。研究首次证实微波功率与DoM的非线性关系——过高功率(800 W)反而会导致副反应增加。

该技术突破使HAMA生物墨水的制备周期从4天压缩至1.5天，DoM提升带来的打印精度改善，使得构建具有复杂微通道的血管化组织成为可能。未来通过引入细胞相容性测试，这种微波辅助合成策略有望成为生物墨水标准化生产的金标准。