仿生有机-无机复合水凝胶作为宾汉流体前驱体拓展直写式3D打印技术在生物医学领域的应用

本研究针对直写式3D打印(DIW)中水凝胶前驱体存在流变性能差、机械强度不足等问题，开发了基于丙烯酰胺(Am)/结冷胶(GG)共聚网络，掺杂SiO2纳米颗粒和碳纳米管(CNTs)的宾汉型流体。该材料实现临界应变(γc)提升230%，拉伸强度达158.7 kPa并具备90%自修复率，成功应用于人工器官模型和柔性应变传感器制造，为生物医用材料开发提供新思路。

　　

在生物医学工程领域，如何制造兼具优异机械性能和生物相容性的仿生材料始终是重大挑战。传统水凝胶在3D打印过程中常面临挤出变形、结构坍塌等问题，而现有材料又难以同时满足人工器官对力学强度、导电性和自修复能力的需求。这些问题严重制约了柔性电子器件和再生医学的发展。

研究人员通过创新性地将有机-无机杂化策略应用于宾汉流体设计，开发出基于丙烯酰胺(Am)和结冷胶(GG)的复合水凝胶体系。该研究巧妙利用SiO₂纳米颗粒增强物理交联网络，碳纳米管(CNTs)构建导电通路，通过流变学调控实现了材料从"墨水"到固件的精准转化。相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》，为智能生物材料的制备提供了新范式。

研究主要采用三大关键技术：一是通过动态流变测试优化宾汉流体的剪切稀变特性，二是利用自由基聚合构建p(Am-co-BA)/GG共聚网络，三是结合动态机械分析(DMA)评估材料的拉伸强度(158.7 kPa)和韧性(69 kJ/m³)。特别值得注意的是，团队建立了完整的"流变性能-打印参数-功能表现"关联体系，为材料设计提供理论指导。

【材料制备】

通过一锅法合成SiO₂/CNTs掺杂的p(Am-co-BA)/GG水凝胶，KPS-TEMED氧化还原体系引发聚合。流变测试显示线性黏弹区(LVER)的临界应变从14提升至46.2，证实无机填料显著增强网络稳定性。

【机械性能】

引入5% SiO₂使杨氏模量提升328%至0.23 kPa，断裂能达纯凝胶的3倍。这种增强源于纳米粒子与聚合物链的拓扑缠结，以及CNTs的应力传递作用。

【功能应用】

打印的网格结构传感器可实时监测关节运动，90%的自修复效率使其能模拟生物组织的损伤修复。导电测试显示CNTs含量与电阻变化率呈线性相关(R²>0.98)。

该研究突破性地解决了DIW技术中"可打印性-功能性"难以兼顾的困境。所开发的宾汉前驱体不仅实现206%的力学性能提升，更通过有机-无机协同效应赋予材料多重响应特性。这种仿生设计策略为人工皮肤、柔性机器人等应用提供了标准化材料平台，其流变调控方法对复杂结构生物打印具有普适指导意义。特别值得关注的是，材料在模拟生理环境下的长期稳定性表现，为后续临床转化奠定了坚实基础。