pH调控氧化与光交联双重策略增强没食子酸生物墨水的剪切稀化与粘弹性行为

推荐：针对3D生物打印中没食子酸(GA)介导的自氧化交联导致的过早凝胶化问题，研究人员开发了一种基于pH调控氧化与光交联的双重交联没食子酸修饰透明质酸甲基丙烯酸酯(HAMA-GA)生物墨水。通过调节pH至5.5触发弱凝胶形成实现可打印性，再经紫外光(UV)固化抑制过度氧化，形成兼具氧化与光诱导共价键的双网络结构，显著提升打印精度与结构稳定性，细胞活性达95%。该策略为组织工程提供了可调控粘附性与机械性能的新型生物墨水。

　　

在海洋贻贝的启发下，没食子酸(GA)因其独特的湿态粘附性和氧化交联特性成为生物墨水研究的热点。然而，GA介导的自氧化交联存在致命缺陷——快速不可控的氧化会导致生物墨水在打印头内过早凝胶化，引发堵塞或打印失败。更棘手的是，氧化过程会持续至最大交联度，不仅缩短了打印时间窗口（通常不足30分钟），还会因邻醌(o-quinone)形成削弱组织粘附性。如何平衡GA的粘附优势与可控交联需求，成为生物打印领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，芬兰坦佩雷大学(Tampere University)生物材料与组织工程团队创新性地提出"时空双重交联"策略。他们设计了一种同时搭载没食子酸和甲基丙烯酸酯基团的透明质酸衍生物(HAMA-GA)，通过pH调控的阶段性氧化与紫外光(UV)固化协同作用，成功实现从"可打印弱凝胶"到"稳定强凝胶"的精准调控。这项突破性研究发表在《Bioprinting》期刊，为复杂组织结构的精准构建提供了新思路。

研究团队采用三大关键技术：1) 通过碳二亚胺(EDC)偶联合成20% GA修饰度的HAMA-GA；2) 利用流变学结合UV-vis光谱分析pH(3.5-7)和时间依赖性氧化交联动力学；3) 采用挤出式3D打印机(Brinter? One)评估打印性能，并通过活/死染色评估人真皮成纤维细胞(HDFB)活性。

HAMA-GA墨水配方与凝胶动力学

核磁共振(¹H-NMR)证实成功合成GA修饰度20%的HAMA-GA。流变测试显示pH 5.5时材料经历从溶胶(G" > G')到弱凝胶(G' > G")的转变，而pH 7则立即形成强凝胶。FTIR光谱证实pH升高导致GA氧化为醌式结构，UV-vis检测到400-500 nm特征吸收峰。

光交联的氧化抑制效应

紫外照射引发双重效应：一方面通过甲基丙烯酸酯基团光聚合形成共价网络，另一方面显著抑制GA氧化（光漂白效应）。UV-vis显示pH 7样品在光照后醌峰强度降低58%，证实UV可逆转化醌为酚式结构。

流动行为与3D打印评估

剪切速率扫描显示pH 5.5墨水具有最佳剪切稀化行为，复数粘度从10⁴ Pa·s（0.1 rad/s）降至10² Pa·s（100 rad/s）。打印测试发现15分钟氧化时间窗口最优，打印精度(Pr值)达0.85，而30分钟后因过度交联导致纤维不规则(Pr=1.1)。

双重交联的粘弹与粘附性能

振幅扫描表明双重交联样品储能模量(G')比单纯氧化交联高3倍。粘附测试显示pH 5.5样品粘附强度从0.56±0.01 kPa（氧化交联）提升至6.4±0.3 kPa（双重交联），而pH 7样品因醌抑制光聚合导致强度下降。溶胀实验显示双重交联网络可维持7天结构完整性。

生物打印与细胞相容性

pH 5.5打印结构培养4天后细胞存活率达95%，显著高于pH 3.5铸型样品(45%)。应力松弛分析揭示pH 5.5凝胶具有最优的动力学模量(～4 kPa)和应力耗散能力，支持细胞铺展。

该研究开创性地通过pH/UV双重调控解决了GA生物墨水"可打印性-稳定性"悖论。pH 5.5触发的可控氧化形成弱凝胶保证挤出流畅，而后续光交联既稳定结构又保留GA粘附特性。特别值得注意的是，UV的"氧化抑制效应"为动态交联控制提供了新机制。这种时空精准调控策略不仅适用于HA体系，还可拓展至其他天然聚合物改性，为创伤敷料、器官芯片等需要湿态粘附的应用开辟了新途径。未来通过优化GA修饰度与光引发剂浓度，有望进一步延长打印窗口并提升组织整合效果。