沉浸式相分离3D打印技术构建应变硬化水凝胶支架及其在生物医学中的应用

研究人员针对传统水凝胶制备方法难以兼顾结构复杂性与力学响应性的难题，开发了沉浸式相分离3D打印（IPS 3DP）技术，通过动态疏水相互作用和溶剂交换动力学调控，一步法构建了具有多级孔隙（5~200 μm）和J型应力-应变曲线（断裂应力~0.7 MPa，伸长率>1,000%）的水凝胶支架。该技术实现了材料闭环回收率>95%，并通过碳纳米管（CNTs）掺杂将导电性提升2个数量级，为再生医学和软体机器人提供了兼具结构定制与功能仿生的新型平台。

　　

自然界中皮肤、动脉和软骨等生物组织具有独特的应变硬化行为——在动态载荷下呈现非线性力学响应，例如胶原纤维重排防止皮肤过度拉伸，弹性蛋白-胶原网络在脉动压力下硬化以维持血流稳定性。这种适应性源于分子级相互作用（如胶原三螺旋解折叠）与宏观结构的协同作用。然而，合成水凝胶长期面临“结构复杂性-可扩展性-力学仿生”难以兼得的困境：现有相分离打印技术如扩散诱导相分离（DIPS）或气相诱导相分离（VIPS）往往牺牲力学性能换取结构精度，而传统模铸法仅能制备简单薄膜。

针对这一挑战，浙江大学团队在《Research》发表研究，提出沉浸式相分离3D打印（IPS 3DP）技术。该技术以戊胺接枝的聚乙烯醇（PVA-C₅
-DS）为基材，通过调控二甲基亚砜（DMSO）/水凝固浴的溶剂交换动力学，实现挤出打印与原位凝胶化的精准协同。研究团队采用流变学优化、三元相图分析和多尺度显微表征等技术，结合力学测试与电化学评估，系统验证了材料的性能。

主要技术方法
研究通过核磁共振（¹
H NMR）确认PVA-C₅
-30的取代度（25%~35%），采用剪切流变仪测定墨水剪切稀化特性（零剪切粘度15.2±0.8 mPa·s）。打印过程中通过调节凝固浴DMSO浓度（20%~60% v/v）控制相分离速率，结合冷冻干燥-溶解再生实现材料循环利用（5次循环回收率>95%）。功能化方面，将羟基磷灰石（HA）、铜粉和碳纳米管（CNTs）掺入墨水，通过离心混合制备复合支架。

研究结果

1. IPS 3DP与慢速溶剂交换成型的对比
   扫描电镜显示传统模铸法制备的PVA-C₅
   水凝胶具有均质孔结构（10~60 μm），而IPS 3DP支架呈现外层致密、中层大孔（50~200 μm）、核心微孔的三相分层结构。两者均保持J型应力-应变曲线，断裂强度达0.65~0.71 MPa，显著优于冻融法制备的物理交联PVA水凝胶。

2. IPS 3DP条件研究
   200 mg/ml墨水在40% DMSO凝固浴中打印精度最佳（92.3±2.1%）。后处理温度升高（25→80°C）使支架体积收缩32.4%，拉伸强度从0.85提升至1.43 MPa。乙醇梯度处理可调控孔隙率（17.3%→68.7%），实现渗透性空间编程。

3. 无机填料改性
   CNT-IPS墨水因PVA链与CNTs氢键作用粘度显著增加。低负载（CNT:聚合物=1:10）支架保持力学性能的同时，电导率提升至6.64×10^?2
   S/m，成功用于腕部运动实时监测。高负载铜粉（1:1）因Cu²⁺
   溶出导致细胞毒性，提示需谨慎选择生物相容性填料。

4. 生物相容性评估
   CCK-8实验显示IPS与CNT-IPS支架支持L-929细胞增殖（***P
   < 0.001），而Cu-IPS组因铜离子释放致细胞死亡。90天体外降解实验证实材料质量损失<5%，力学性能稳定，适用于长期植入场景。

结论与意义
该研究突破了水凝胶“结构-功能”不可兼得的技术瓶颈，通过物理交联网络实现力学仿生（应变硬化）与闭环再生的统一。IPS 3DP支架的层级孔隙和导电性可定制特性，为个性化组织工程（如软骨修复支架）和生物混合器件（如自感知软体机器人）提供了新范式。未来需优化喷嘴设计以提升分辨率，并开发酶响应性基团实现可控降解。这项技术为再生医学和适应性生物电子器件的发展开辟了创新路径。