高粘度明胶/聚丙烯酰胺/海藻酸钠三重网络水凝胶的3D打印设计与评估：流体动力学模拟与实验验证

为解决生物3D打印中水凝胶墨水粘度低、成型精度差的问题，研究人员开发了一种基于明胶(Gel)/聚丙烯酰胺(PAM)/海藻酸钠(SA)的高粘度三重网络水凝胶墨水。通过流体动力学模拟与实验结合，实现了无需流变改性剂或环境调控的直接高精度打印，所得支架压缩强度达3.69 MPa，细胞粘附率达88.3%，为组织工程提供了新型高性能生物材料。

　　

在组织工程领域，三维多孔水凝胶支架因其能模拟细胞外基质环境而备受关注。然而，传统水凝胶墨水面临两大困境：低粘度导致打印时纤维塌陷变形，而添加流变改性剂又可能影响生物相容性。更棘手的是，温度调控等环境干预手段仅适用于特定材料，严重限制了生物制造的普适性。这些瓶颈使得高精度、高性能水凝胶支架的制备成为学界亟待攻克的难题。

山东某高校与哈尔滨工业大学的联合团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地将明胶(Gel)的热可逆凝胶化特性、聚丙烯酰胺(PAM)的化学交联网络与海藻酸钠(SA)的离子交联能力相结合，开发出可直接打印的三重网络水凝胶。研究采用计算流体动力学(CFD)模拟优化打印参数，通过紫外光固化与Ca²⁺
交联协同作用构建支架，并系统评估了其理化性能与生物相容性。

关键技术包括：1)基于Herschel-Bulkley模型的流体动力学模拟预测墨水挤出行为；2)三重网络构建技术（温度诱导Gel网络、UV引发AM聚合、Ca²⁺
交联SA）；3)压缩强度测试与长期降解实验；4)体外细胞粘附率检测。

材料表征
通过流变学测试发现，SA的加入使墨水粘度提升3倍，屈服应力达78 Pa，有效抑制了沉积变形。红外光谱证实三重网络的成功构建，其中Gel提供温度响应性，PAM增强韧性，SA赋予离子交联能力。

打印性能优化
CFD模拟显示，当剪切速率超过10 s^-1
时墨水呈现明显剪切稀化行为。实验验证最佳打印参数为：喷嘴直径0.41 mm、挤出压力25 kPa，此时打印误差<5%。成功制备出悬臂梁、血管网络等复杂结构。

机械性能
三重网络协同作用使支架压缩强度达3.69 MPa，远超单网络水凝胶（0.15 MPa）。28天降解后仍保持58.21%质量，显著优于纯Gel支架（完全降解）。

生物相容性
NIH/3T3细胞在支架上24小时粘附率达88.3%，7天后增殖率达对照组的92%。Ca²⁺
的缓释还表现出促伤口愈合效应。

该研究突破性地实现了无需添加剂的直接高精度打印，其三重网络设计策略为多材料水凝胶开发提供了新思路。支架优异的力学性能（压缩模量496 kPa）与长期稳定性（28天保留近60%质量）解决了传统水凝胶易塌陷、降解快的难题。更值得注意的是，Ca²⁺
交联的双重作用——既增强机械性能又促进组织修复，为功能性生物墨水设计开辟了新方向。这项成果不仅推动了生物3D打印技术的发展，其"模拟-优化-验证"的研究范式也为生物制造领域的其他材料开发提供了重要参考。