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壳聚糖基水凝胶在生物制造中受关注，但水溶性差和脆性导致机械稳定性弱，限制其 3D 打印应用。研究人员合成羧基苯基硼酸接枝壳聚糖（CB），制备 PB 水凝胶。该水凝胶具良好性能和葡萄糖敏感性，有望用于生物医学 3D 打印。
在生物医学领域，水凝胶因其独特性质备受瞩目。它就像一个神奇的 “海绵”，是由三维交联聚合物网络构成的软湿材料，能吸收和保留大量水分。因其柔软、多孔、亲水等特性，可模拟细胞外基质，在疾病治疗和细胞疗法中发挥重要作用。尤其是动态水凝胶，通过可逆共价键或物理分子相互作用形成，具备自我修复、形状记忆等 “超能力”，其中葡萄糖敏感水凝胶更是在糖尿病治疗等方面展现出巨大潜力。
然而，壳聚糖基水凝胶这个 “潜力股” 却有着明显的 “短板”。壳聚糖是从几丁质脱乙酰化得到的天然聚合物，具有生物相容性、抗菌性等诸多优点，但其在中性环境下，分子间和分子内的氢键作祟，导致水溶性极差，几乎不溶于水，这使得它难以作为 3D 打印墨水的原材料。而且，壳聚糖水凝胶含水量高、质地脆，机械稳定性差，打印时容易 “塌房”，打印精度也不理想，极大地限制了其在 3D 打印中的应用。为了突破这些困境，科研人员们踏上了探索之旅，本次研究便应运而生。
来自国内的研究人员聚焦于这一难题展开攻关。他们旨在合成一种新型水凝胶，克服壳聚糖基水凝胶的缺陷，同时具备良好的葡萄糖敏感性，满足生物医学 3D 打印的需求。最终，研究人员成功合成了羧基苯基硼酸接枝壳聚糖（CB）聚合物，其取代度约为 25%。通过一系列实验，制备出 PEG - 壳聚糖硼酸酯（PB）水凝胶。该水凝胶展现出优异的性能，不仅具备剪切稀化和自愈合特性，能通过 210μm 喷嘴连续沉积细丝，还拥有高堆叠性，3D 打印的长方体在无需打印后加固的情况下，能保持约 95% 的设计高度（1.2cm）。此外，PB 水凝胶对葡萄糖敏感，在生物医学领域有着广阔的应用前景。这一研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，为生物制造和生物医学材料的发展提供了新的方向。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是化学合成技术，通过 EDC/NHS 化学法，激活羧基苯基硼酸（CPBA）的羧基，使其与壳聚糖上的伯氨基反应，成功合成 CB 聚合物。其次，利用原位小角 X 射线散射（SAXS）和流变分析技术，对 CB 在水溶液中的自组装行为以及 PB 水凝胶的流变特性进行研究，从而深入了解水凝胶的结构和性能。
合成和表征 CB 聚合物
通过 EDC/NHS 化学法合成 CB，利用1H NMR 光谱对其结构进行表征。从光谱中可以看到，峰 “a” 归属于接枝到壳聚糖上的 CPBA 中苯基的质子，这为 CB 的成功合成提供了有力证据。
水凝胶的自组装行为研究
利用原位小角 X 射线散射（SAXS）分析发现，CB 在水溶液中存在自组装行为，其链形成簇（回转半径 Rg约 3.5nm）并呈连续排列。当向 CB 网络中引入含二醇的聚乙二醇（PD）时，通过硼酸酯键增强了弹性，形成 PB 水凝胶。增加 CB 含量后，水凝胶结构得到强化，在 PB 动态网络内形成更大的簇（Rg约 8.5nm），进而改善了机械性能和打印保真度。
水凝胶的流变性能分析
流变分析表明，PB 水凝胶具有剪切稀化和自愈合特性。剪切稀化确保了水凝胶在打印过程中能顺利挤出，而自愈合特性使其在受到剪切破坏后能恢复粘度。这种特性使得 PB 水凝胶能够通过 210μm 的喷嘴实现连续细丝沉积，满足 3D 打印的要求。
水凝胶的 3D 打印和堆叠性能测试
研究发现，PB 水凝胶具有良好的 3D 打印和堆叠性能。3D 打印的长方体在无需打印后加固的情况下，能保持约 95% 的设计高度（1.2cm），这得益于 PB 水凝胶中物理簇和动态共价键之间的协同平衡，为其在生物医学 3D 打印中的应用奠定了基础。
水凝胶的葡萄糖敏感性研究
通过台盼蓝释放和 ARS 复合物竞争实验，定量展示了 PB 水凝胶的葡萄糖敏感性。CB 与茜素红 S（ARS）的特异性结合，使得动态网络在葡萄糖作用下的溶解过程可通过颜色变化可视化，为潜在的比色葡萄糖检测提供了可能。
研究成功合成了水溶性 CB 聚合物，其能通过氢键、π - π 堆积和阳离子 - π 相互作用等协同作用自组装形成簇。将线性 PD 聚合物引入 CB 水凝胶中，改善了结构脆性，制备出的 PB 水凝胶具备良好的 3D 打印性、堆叠性和葡萄糖敏感性。这项研究为生物医学领域的 3D 打印提供了一种有前景的生物墨水，有望用于制造葡萄糖响应性结构，在糖尿病治疗、药物递送等方面发挥重要作用，为相关疾病的治疗和生物材料的发展开辟了新途径。
