《Gels》：Siloxane-Reinforced GelMA/Methacrylated Chitosan Hydrogels for DLP Printing
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光交联的甲基丙烯酰化明胶/甲基丙烯酰化壳聚糖（GelMA/CSMA）水凝胶在生物医学应用中具有吸引力，但其力学强度不足。本研究将γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPTS）预水解并缩合，生成保留可聚合甲基丙烯酸酯基团的硅氧烷物种，随后将其作为增强相引入GelM
光交联的甲基丙烯酰化明胶/甲基丙烯酰化壳聚糖（GelMA/CSMA）水凝胶在生物医学应用中具有吸引力，但其力学强度不足。本研究将γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPTS）预水解并缩合，生成保留可聚合甲基丙烯酸酯基团的硅氧烷物种，随后将其作为增强相引入GelMA/CSMA网络。研究人员系统考察了MPTS前驱体浓度（2–5% w/v）和预水解时间（12–48 h）对所得GCM水凝胶的形貌、黏弹性、压缩行为、细胞相容性及DLP可打印性的影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实甲氧基被消耗，同时保留C=C官能团。扫描电子显微镜（SEM）显示，增加MPTS前驱体浓度提高了颗粒状特征的表观丰度，而延长预水解时间则生成更大的结构。X射线衍射（XRD）表明MPTS衍生相主要为无定形态。GCM-48h-5%的储能模量达到23.5 kPa，压缩模量为0.682 MPa，最大压缩应力为1.081 MPa，分别较GelMA/CSMA对照提高7.4倍、16.9倍和4.0倍。该水凝胶表现出良好的L929细胞相容性，并在405 nm光照下保持DLP可打印性。这些发现表明，调控MPTS前驱体浓度和预水解时间为力学增强DLP可打印GelMA/CSMA水凝胶提供了一条简便途径，且无需直接引入预制二氧化硅颗粒。
论文解读：基于MPTS预水解-缩合策略增强DLP可打印GelMA/CSMA复合水凝胶的力学性能
一、研究背景与意义
骨缺损由创伤、肿瘤切除、先天畸形及退行性疾病等因素引起，是临床面临的重大挑战。组织工程支架需要提供有利于细胞活动的水合环境，同时保持足够的力学性能和结构完整性。水凝胶因其富含水的三维网络结构类似于天然细胞外基质的重要特征，能够支持细胞黏附与迁移并促进分子传输，成为极具吸引力的支架材料。为将这些生物学优势转化为具有定制几何形状和明确内部结构的支架，需要精密的制备技术。数字光处理（DLP）技术凭借高分辨率和快速制造能力脱颖而出，因此水凝胶配方必须支持可靠的DLP打印，同时赋予打印支架足够的力学稳定性和良好的生物学性能。
甲基丙烯酰化明胶（GelMA）因保留明胶中细胞相互作用和酶降解序列，并能通过甲基丙烯酸酯介导的光聚合快速形成网络，被广泛应用于DLP生物制造。甲基丙烯酰化壳聚糖（CSMA）则凭借其生物相容性、生物降解性、丰富的官能团及潜在抗菌活性提供互补组分。光交联后，GelMA和CSMA形成共价交联的集成网络，其力学性能可通过调节两者相对比例来调控。然而，提高聚合物浓度或光交联密度虽可改善刚度，但会增加打印前驱体黏度，阻碍DLP打印过程中的树脂流动和层间补充；过度交联则会限制网络水合、分子传输、降解及细胞活性。因此，引入分散增强相成为在保持DLP加工性和细胞相容性的同时增强力学性能的替代策略。
传统增强策略通常依赖将预制颗粒直接掺入聚合物前驱体溶液中。在复杂水相配方中，这些颗粒可能发生团聚或沉降，降低有效界面相互作用并产生不均匀增强效果。在DLP系统中，悬浮颗粒及其聚集体可通过散射和衰减改变光传播，影响固化深度、横向聚合及打印结构尺寸保真度。γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPTS）提供了一条替代途径：其兼具可水解的三甲氧基硅烷基团和可聚合的甲基丙烯酸酯基团。MPTS水解缩合生成富硅氧烷结构，保留的甲基丙烯酸酯官能团随后参与与GelMA和CSMA的光聚合。这种预水解-缩合-光交联策略直接将MPTS衍生增强相的形成与聚合物网络构建相耦合，无需预制二氧化硅颗粒。该研究通过系统调控MPTS浓度和预水解时间，构建MPTS增强的GelMA/CSMA复合水凝胶，为改善DLP可加工水凝胶力学性能提供了简便策略，论文发表于《Gels》。
二、关键技术方法
研究人员采用多种表征技术系统研究GCM水凝胶。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振氢谱（1H NMR）确认GelMA、CSMA的化学结构及MPTS水解前后官能团变化；采用扫描电子显微镜（SEM）观察冻干水凝胶的微观形貌；通过X射线衍射（XRD）分析水凝胶的结晶特性；使用流变仪进行频率扫描测试储能模量和损耗模量；利用万能试验机进行压缩力学性能测试；通过浸水称重法测定24 h溶胀率；采用MTT法评价水凝胶浸提液对L929成纤维细胞的细胞相容性；使用配备405 nm LED光源的DLP打印机（ANYCUBIC Photon Mono 4K）评估打印可行性，层厚50 μm，曝光时间60 s/层。所有定量数据以均值±标准差表示（n=5），采用单因素方差分析（ANOVA）及Dunnett事后检验进行统计学分析。
三、研究结果
3.1 化学结构表征
FTIR和1H NMR结果证实GelMA和CSMA成功接枝甲基丙烯酰基。GelMA在1638 cm?1出现C=C伸缩振动新峰，1H NMR在6.08和5.66 ppm出现乙烯基质子信号；CSMA在1620 cm?1附近出现甲基丙烯酸酯C=C基团吸收峰，1H NMR在5.67和5.46 ppm出现特征乙烯基质子信号。MPTS水解后，C=O和C=C伸缩振动带保留，表明甲基丙烯酸酯基团在溶胶-凝胶过程中得以保存；而甲氧基相关C–H吸收在2840 cm?1附近减弱，证实甲氧基转化为硅醇基。
3.2 形貌分析
SEM观察显示，所有GCM水凝胶均呈现互连多孔结构。与GelMA/CSMA水凝胶光滑的孔壁相比，GCM水凝胶孔表面出现大量微米级颗粒状特征。MPTS浓度从2%增至5%时，颗粒状特征的表观丰度增加；预水解时间从12 h延长至48 h时，颗粒结构更大更明显。MPTS浓度主要影响颗粒丰度，而水解时间主要影响颗粒尺寸。
3.3 XRD分析
GelMA/CSMA水凝胶在约7.6°和19.1°处呈现两个宽弥散峰，符合明胶基材料的无定形特征。GCM水凝胶未出现额外尖锐结晶衍射峰，表明MPTS衍生硅氧烷物种以无定形态存在。随MPTS浓度增加和预水解时间延长，20°附近的弥散峰向低2θ值轻微偏移，反映复合网络局部短程组织的变化，与SEM观察结果一致。
3.4 流变学性能
所有水凝胶组的储能模量（G′）在测试频率范围内均高于损耗模量（G″），表明光交联GCM水凝胶以弹性响应为主，呈现显著类固体行为。相同预水解时间下，G′随MPTS浓度增加而增大；相同MPTS浓度下，G′随预水解时间延长总体增加。MPTS衍生硅氧烷结构上保留的甲基丙烯酸酯基团可与GelMA和CSMA的甲基丙烯酸酯基团共聚形成共价交联，硅醇基可与聚合物链的羟基、氨基和酰胺基形成氢键等界面相互作用，共同限制聚合物链迁移，导致储能模量增加。
3.5 力学性能
压缩测试表明，GelMA/CSMA对照水凝胶压缩模量为0.040 MPa。引入MPTS衍生相后，所有GCM配方的压缩模量均显著提高（p<0.0001），且呈现浓度和时间依赖性。GCM-48h-5%达到压缩模量0.682 MPa和最大压缩应力1.081 MPa，分别较对照提高约16.9倍和4.0倍。力学增强机制包括：MPTS衍生硅氧烷物种上保留的甲基丙烯酸酯基团与GelMA和CSMA共聚，提高网络交联密度；刚性硅氧烷结构作为增强相承担压缩载荷；硅醇基与聚合物基团形成界面相互作用促进载荷传递。延长预水解时间可促进MPTS衍生物种的进一步缩合和结构重组，形成更显著的硅氧烷增强结构。
3.6 溶胀性能
GelMA/CSMA对照水凝胶的24 h溶胀率为566.94±12.23%。除GCM-12h-2%外，所有GCM配方的溶胀率均显著降低（p<0.0001）。相同预水解时间下，溶胀率随MPTS浓度增加总体降低，表明MPTS衍生相引入改善了复合水凝胶的耐溶胀性。预水解时间对溶胀率的影响呈非单调性：从12 h延长至36 h时溶胀率降低，GCM-36h-5%达到最低值；进一步延长至48 h时溶胀率部分回升，可能与较大颗粒结构增加结构异质性、降低局部有效聚合物-硅氧烷接触有关。
3.7 生物相容性
MTT实验显示，在24、48和72 h三个时间点，各GCM配方与GelMA/CSMA材料对照之间的MTT吸光度无显著差异（p>0.05），而阳性细胞毒性对照（含0.64%苯酚的培养基）吸光度显著降低（p<0.0001）。结果表明MPTS衍生相的引入在测试浸提液条件下未对L929细胞代谢活性产生不利影响。
3.8 DLP打印性能
使用含GelMA、CSMA、MPTS水解液和LAP的水凝胶前驱体，通过配备405 nm LED光源的DLP打印机成功制备含3×3方孔阵列的多孔板结构。打印层厚50 μm，光强80 mW cm?2，每层曝光60 s。打印结构的孔阵列几何形状得到定性再现，证明GCM配方在测试打印条件下与光固化和逐层成型兼容。
四、结论与展望
研究成功制备了GCM复合水凝胶，将MPTS衍生硅氧烷形成与GelMA和CSMA的光交联相结合。MPTS浓度和预水解时间与水凝胶的结构组织、力学性能和溶胀行为相关。增加MPTS浓度总体增强储能模量和压缩性能并降低溶胀率，而预水解时间的变化对力学增强和溶胀行为产生更复杂的影响。在所测配方中，GCM-48h-5%表现出显著改善的力学性能，同时验证了DLP打印可行性，且在测试浸提液条件下对L929细胞代谢活性无不良影响。该研究展示了一种分子前驱体策略，可在不依赖单独合成和分散二氧化硅纳米颗粒的情况下，将MPTS衍生硅氧烷增强结构引入光交联生物聚合物水凝胶，支持该方法在DLP制造组织工程支架中的应用潜力。未来研究可进一步探索GCM水凝胶在生理条件下的降解行为、长期结构稳定性、长期生物相容性及体内性能，并继续优化MPTS预水解、水凝胶制备和DLP制造工艺，同时考虑制造成本和法规要求以评估其转化应用前景。
