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为解决水凝胶在组织工程应用中成型和维持几何完整性的难题，研究人员开展了 3D 打印辅助纳米压印透明质酸 / 壳聚糖（HA/CHI）互聚物复合（IPC）水凝胶引导细胞生长的研究。结果显示该水凝胶可引导细胞定向生长，促进伤口愈合，为组织工程提供了新方向。
在组织工程领域，水凝胶因其独特的性能成为研究热点。细胞外基质（ECM）作为细胞生存的重要微环境，由多种蛋白质和糖胺聚糖（GAGs）组成，对细胞的生长、分化和组织的发育起着关键作用。透明质酸（HA）和壳聚糖（CHI）作为 ECM 的重要成分，具有良好的生物相容性和生物降解性，在组织工程和伤口愈合等方面展现出巨大的潜力。然而，水凝胶在实际应用中面临诸多挑战。一方面，水凝胶在肿胀后机械强度较弱，导致其在成型和维持几何完整性方面存在困难，这限制了它在组织工程支架中的精确应用。另一方面，尽管纳米压印技术在生物医学领域有应用前景，但纳米压印水凝胶表面存在机械性能差、图案易失真、长期稳定性不足和大规模重现性不佳等问题。而且，将 3D 打印和纳米压印相结合的技术在生物医学应用中尚未得到充分发展。
为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项创新性的研究，旨在开发一种通过 3D 打印辅助纳米压印技术制备的 HA/CHI 互聚物复合（IPC）水凝胶纳米压印表面，期望通过调整 HA/CHI 的混合比例来改善水凝胶的机械性能、增强纳米压印图案的保留效果，并促进细胞粘附，为组织工程提供大规模生物相容性和可生物降解的纳米压印表面。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》上。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先是材料制备技术，将 HA 和 CHI 分别配制成特定浓度的溶液并按 1:2 的体积比混合，通过库仑力使其交联形成 IPC 水凝胶。然后利用 3D 打印辅助软纳米压印光刻技术，以商业 CD 和 DVD 光盘为模板制备具有沟槽表面形貌的 IPC 膜。此外，采用多种表征技术，如衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、圆二色谱（ECD）、zeta 电位测定、动态粘度测试等对水凝胶的结构、性质进行分析；运用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和变温扫描探针显微镜（VT-SPM）观察膜的表面形貌；通过肿胀测试研究水凝胶的吸水性能；借助 MTT 法评估水凝胶的细胞毒性；利用细胞培养和伤口愈合实验探究水凝胶对细胞生长和伤口愈合的影响。
下面来看看具体的研究结果：
- IPC 的表征：通过 ATR-FTIR 测量发现，HA 的 COO-基团与 CHI 的 NH3+之间通过静电力相互作用形成了 IPC。ECD 光谱显示，IPC 在水凝胶中呈现出左旋螺旋构象，且其吸收光谱的蓝移和诱导分裂型 Cotton 效应随 CHI 浓度增加而增强。
- 电荷性质分析：zeta 电位测量表明，当 CHI 与 HA 的比例大于等于 1 时，IPC 水凝胶带正电；小于 1 时带负电。为促进细胞粘附和生长，选择带正电最多的 IPC 水凝胶进行后续实验。
- 剪切稀化特性：动态粘度测试显示，HA、CHI 和 IPC 水凝胶均具有剪切稀化特性，其粘度随剪切速率增加而降低，且 IPC 水凝胶的相关参数表明它适合 3D 打印。
- 沟槽表面形貌：3D 打印辅助纳米压印技术成功在 IPC 水凝胶上制备出沟槽表面形貌，通过 SEM 和 SPM 观察发现，IPC 膜上的沟槽尺寸与商业光盘相近，且具有良好的一致性。
- 水凝胶的溶胀率：测量结果显示，2 层平坦 IPC 膜的溶胀率可高达 25000%，但具有 CD 和 DVD 沟槽结构的 IPC 膜溶胀率小于 3000%，这得益于 “荷叶效应”。相比之下，GelMA 水凝胶溶胀率低，但部分沟槽结构在水中不稳定。
- 细胞毒性测试：MTT 实验表明，IPC 水凝胶对 mFB、BJ 和 SMC 细胞均无细胞毒性，细胞能够在 IPC 膜上存活并增殖，且 BJ 和 SMC 细胞在 CD 沟槽膜上的增殖更为显著。
- 引导细胞生长：利用 ImageJ 软件分析发现，具有沟槽表面形貌的 IPC 膜可诱导 mFB、BJ 和 SMC 细胞定向生长，其定向一致性明显高于对照组。
- 伤口愈合实验：对 IPC 膜进行伤口愈合实验，结果显示，BJ 细胞在 CD 沟槽膜上减少开放面积的效果更显著，这表明 CD 沟槽膜可能更适合细胞生长和作为伤口愈合敷料，但 IPC 水凝胶机械性能较弱，可能导致纳米压印形貌变形或脱落。
在结论和讨论部分，研究人员成功通过 3D 打印辅助纳米压印技术在 HA/CHI IPC 水凝胶上制备出具有不同亚微米级间距和深度的各向异性沟槽表面。这种沟槽表面能够在细胞培养过程中保持稳定，并选择性地引导多种细胞类型定向生长，尽管对细胞增殖速率无显著影响，但在不同细胞类型相关的研究中具有重要意义，为深入了解细胞功能、病理机制和潜在治疗策略提供了新视角。这一创新的技术结合，为组织工程应用开辟了新的方向，有望在未来进一步推动组织工程领域的发展，为伤口愈合、组织修复等临床应用提供更有效的材料和方法。
