离子响应型微凝胶的颗粒间交联技术及其在3D/4D生物打印中的应用研究

这篇综述创新性地开发了具有离子响应特性的颗粒间交联微凝胶系统，通过席夫碱(Schiff-base)和光交联双重机制实现自支撑结构，解决了传统生物材料需要填充水凝胶（filler hydrogels）的问题。该系统展现出优异的剪切稀化(shear-thinning)、自修复(self-healing)性能，并通过霍夫迈斯特效应(Hofmeister effect)实现可逆形变，为构建可编程动态结构（如血管化组织模型和软体机器人）提供了新范式。

　　

摘要

研究团队开发了基于明胶甲基丙烯酰胺（FG）和氧化海藻酸钠（OA）的离子响应型微凝胶系统。通过乳化法和机械破碎法分别制备球形（μS）和随机形状（μR）微凝胶，其颗粒间交联特性消除了对填充水凝胶的需求，保留了支持细胞迁移和血管化的微尺度空隙。核磁共振（NMR）和流变学分析证实了席夫碱交联（40秒内起始）和光交联（405 nm）的双重机制，其中μR表现出更高的屈服应力（64.28 kPa vs μS的15.88 kPa）和压缩模量（123.7 Pa vs μS的62.97 Pa）。

1 引言

传统pNIPAM基材料虽具有温度响应性，但缺乏生物活性和降解性。本研究通过功能化天然生物聚合物，将RGD肽段和基质金属蛋白酶（MMP）切割位点整合到微凝胶中。微凝胶的微孔结构（μS孔隙面积达0.947×10⁵ μm²）显著促进营养物质传输，鸡胚绒毛膜尿囊膜（CAM）实验显示μS组血管直径可达600 μm，而μR组则形成更密集的毛细血管网络（直径<150 μm）。

2 结果与讨论

2.1 微凝胶制备与表征

动态流变测试揭示μR的储能模量（G′）在光交联后急剧上升，循环压缩试验证实其完全弹性恢复能力。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示1450 cm^-1处双键峰减少，验证了交联效率。

2.2 高孔隙结构构建

荧光葡聚糖（FITC-dextran）染色显示μS孔隙率与μR无显著差异，但μR的孔密度更高（p<0.0001）。体外降解实验表明μS降解率（16.04%）高于μR（6.89%）。

2.3 3D生物打印

μR在挤出式打印（EBB）中表现出优异性能：通过23G喷嘴可形成45.1 mm悬垂细丝，打印的人耳模型表面偏差91.16%控制在±600 μm内。嵌入式打印以黄原胶（XG）为牺牲材料，成功构建可灌注的螺旋血管（直径缩减35%）。

2.4 4D打印应用

多材料打印结合非响应性GelMA微凝胶，实现了离子诱导的复杂形变：8.5 cm直丝在PBS中卷曲成环，十字结构转变为夹持器。分子动力学模拟与实验高度吻合，最大界面应力达4 kPa。

3 结论

该技术拓展了天然蛋白（胶原、丝素蛋白）和多糖（纤维素、几丁质）的功能化路径，为药物控释（如普鲁卡因7天缓释）和器官芯片提供了新工具。未来可通过整合mRNA等功能分子，进一步应用于肌肉训练和生物电子器件开发。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容）