仿生纤维素纳米纤维/木聚糖/明胶纳米复合水凝胶，具有可调结构，用于挤出式3D打印和控释

《Industrial Crops and Products》：Bioinspired cellulose nanofibril/xylan/gelatin nanocomposite hydrogels with tunable structure for extrusion-based 3D printing and controlled release

　　

通过协同动态共价网络（dynamic covalent networks）形成的植物细胞壁（Plant Cell Wall）仿生纳米复合水凝胶（nanocomposite hydrogel）。增强的力学性能和可调微观结构（microstructure）实现控释（controlled release）药物释放。复合水凝胶（Composite hydrogel）具有高保真度（high-fidelity）3D打印（3D printing）能力和优异的生物相容性（biocompatibility）。

**研究背景与问题**
水凝胶在增材制造、软功能器件和控释系统（controlled release systems）中受到广泛关注。挤出式3D打印（extrusion-based 3D printing）可构建复杂结构，但要求材料同时具备剪切变稀（shear-thinning）行为、快速结构恢复和力学稳定性。天然聚合物水凝胶（如明胶）通过物理交联（如温度依赖凝胶化、静电相互作用）形成网络，但力学强度不足。光交联系统如明胶甲基丙烯酰（GelMA）虽能快速交联，但依赖自由基聚合，可能产生异质网络和不可降解链段，限制长期稳定性。因此，开发基于可再生、结构可调材料的低成本水凝胶系统成为重要方向。木质纤维素组分（如纤维素和半纤维素）因丰富性和化学功能性成为理想构建块。植物细胞壁中，纤维素微纤丝（cellulose microfibrils）通过氢键形成刚性骨架，半纤维素（hemicellulose）作为桥接组分调控网络。受此启发，研究人员旨在整合纤维素纳米纤维（CNF）、醛基化木聚糖（Xyl-CHO）和烯丙基化明胶（GelA），构建兼具力学稳健性、结构适应性和打印性能的纳米复合水凝胶。论文发表在《Industrial Crops and Products》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：1）通过烯丙基缩水甘油醚（AGE）对明胶进行烯丙基化修饰，合成GelA；2）通过高碘酸钠氧化木聚糖制备醛基化木聚糖（Xyl-CHO）；3）利用硫醇-烯点击化学（thiol-ene click chemistry），以二硫苏糖醇（DTT）为交联剂，在365 nm紫外光下引发交联，构建GelA/CNF/Xyl-CHO（GDC）水凝胶；4）引入纤维素纳米纤维（CNF）作为增强骨架，Xyl-CHO提供动态席夫碱（Schiff base）交联；5）通过流变学、压缩力学测试、扫描电子显微镜（SEM）、压汞法、溶胀测试、热重分析（TGA）表征结构和性能；6）采用直接墨水书写（DIW）进行3D打印；7）以L929成纤维细胞进行CCK-8细胞毒性测试和溶血试验评估生物相容性；8）以左氧氟沙星（LVX）为模型药物进行体外释放实验。

**研究结果**
**2.1 GelA的合成与表征**：通过核磁共振氢谱（¹H NMR）检测到烯丙基特征峰（5.87–5.79 ppm和5.31–5.12 ppm），计算得取代度（DA）为0.25。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示在927 cm^-1和999 cm^-1出现烯烃吸收峰，证实烯丙基成功接枝。X射线衍射（XRD）显示GelA保持非晶态，表明结构完整性未受破坏。

**2.2 GDC水凝胶的表征**：FTIR显示硫醇-烯反应后烯烃峰消失，同时半缩醛峰（883 cm^-1）强度随Xyl-CHO增加而降低，N-H弯曲振动（1540 cm^-1）减弱，证实席夫碱形成。压缩力学测试显示，随Xyl-CHO含量增加，压缩应力和弹性模量逐渐增强。GDC-X3（最高Xyl-CHO含量）达到极限应力93.41 kPa和模量66.79 kPa（50%应变），比GDC-0（无Xyl-CHO）分别提高5.1倍和4.1倍。循环压缩测试（50次）显示GDC-X3具有优异结构稳定性，而GDC-0力学性能下降明显。SEM和压汞法显示，孔径随Xyl-CHO含量先减小后增大：GDC-X2平均孔径最小（13.41 μm），GDC-X3最大（20.21 μm），与GDC-0（18.11 μm）相比呈双相变化。平衡溶胀率（ESR）从GDC-0的6.67 g/g降至GDC-X3的3.42 g/g，表明交联密度增大。TGA显示所有样品降解曲线相似，具有良好热稳定性。

**2.3 GDC水凝胶前驱体的3D打印**：流变测试显示所有配方均表现出剪切变稀行为，零剪切粘度（η₀）从GDC-0的12,472.5 Pa·s增至GDC-X3的286,776.1 Pa·s。振幅扫描导出屈服应力（τ_y）从1288.1 Pa升至42,627.7 Pa。线性粘弹性区域在0.1%应变内，凝胶-溶胶转变在约2%应变。阶跃应变测试（0.1% ? 80%）显示，在80%应变下网络破坏，恢复至0.1%应变后5秒内储能模量（G′）恢复超过98%，表明优异触变恢复能力。光流变测试显示UV照射后立即交联。通过DIW成功打印五角星和猴子模型，以及约8 mm高的多层网格结构，展示高保真度。

**2.4 生物相容性与药物控释**：CCK-8测试显示GDC-X3水凝胶在24小时细胞相对活性超过100%（对照设为100%），72小时仍保持85±2.8%，超过ISO 10993-5标准（70%）。溶血率均低于5%。药物释放试验显示，左氧氟沙星（LVX）从水凝胶中释放呈现三相模式：初始低爆释、快速释放和平台期。48小时累积释放率分别为62.33%（GDC-0）、60.40%（GDC-X1）、58.68%（GDC-X2）和64.44%（GDC-X3），随Xyl-CHO含量呈先降后升双相趋势。冻干气凝胶释放速率更低，24小时累积释放率在55–60%之间。短时释放（0–5小时）显示水凝胶和气凝胶的初始释放行为相反，归因于水凝胶有预形成水通道而气凝胶需重新水化。

**总结讨论**
讨论部分指出，Xyl-CHO含量通过调控网络密度和扩散路径，实现微结构演化和药物释放行为的可调性。在低至中等Xyl-CHO含量下，席夫碱交联增强网络刚性，降低孔径和溶胀率，抑制药物释放；在过高含量下，动态交联的异质性导致局部相分离和孔径增大，加速释放。CNF的连续扩散调节骨架与Xyl-CHO的动态交联协同作用，使得释放行为呈现双相趋势。该水凝胶系统在力学强度、打印保真度和生物相容性方面优于传统明胶或纤维素纳米纤维基水凝胶，为可持续药物载体和3D打印墨水提供新平台。

**研究结论**
研究人员成功设计了一种仿生CNF/GelA/Xyl-CHO水凝胶系统，模仿植物细胞壁的分层结构。通过整合CNF作为增强骨架、Xyl-CHO的动态席夫碱相互作用以及GelA的光触发硫醇-烯交联，获得了具有增强力学强度和优异打印性的多功能纳米复合水凝胶。纳米纤维增强与多组分网络之间的协同作用实现了对水凝胶微结构和流变行为的有效调控。优化后的水凝胶表现出显著的剪切变稀行为和快速结构恢复，可实现高保真挤出式3D打印。此外，Xyl-CHO含量通过调控网络密度和扩散路径决定了微结构演化和药物释放行为，从而实现对左氧氟沙星的可调释放曲线。这些发现为利用木质纤维素组分构建结构可调水凝胶用于挤出式3D打印和控释应用提供了可持续策略。