目前临床上对小口径管状结构支架(Φ < 6 mm)的需求长期处于供不应求的状态,给小口径管状组织工程再生重建领域的应用带来了巨大的机遇及挑战。尽管同轴三维(3D)打印技术在模拟构建人体小口径微管组织方面已取得较大进展,但是通过这些方法所构筑的微管普遍存在力学性能不足、固有溶胀特性难以控制等缺陷,这严重阻碍了其作为承载管状组织的医学应用。为了解决上述存在的问题,开发兼具可打印、优异力学性能能和生物相容性的高强度打印墨水具有重大的研究价值和意义。

高强度水凝胶已被证实可作为3D打印的理想候选墨水,所构建复杂结构的支架,具有机械稳定性,可用于承力组织再生与功能重塑重建。近日,中国科学院深圳先进技术研究院医药所人体组织与器官退行性研究中心阮长顺研究员团队、潘浩波研究员团队与天津大学材料学院刘文广教授团队合作,成功开发了基于纳米粘土(Nanoclay)/ N-丙烯酰甘氨酸酰胺(NAGA)/明胶甲基丙烯酰(GelMA)构筑了一种氢键增强的高强度纳米复合医用水凝胶墨水(简称CNG 打印墨水),结合3D同轴打印技术成功构建具有高韧性、超拉伸性、抗压性、快速自恢复性能的小口径微管,其中拉伸强度高达22 MPa,拉伸率高达500%,杨氏模量约21 MPa,抗疲劳性能可达200次循环,爆裂压力约为2500 mmHg,缝合线保持强度达280 gf,其性能远优于先前打印的微管。该相关研究成果以“Coaxial Scale-up Printing of Diameter-tunable Biohybrid Hydrogel Microtubes with High Strength, Perfusability and Endothelialization”为题,发表在Advanced Functional Materials。论文通讯作者为阮长顺研究员、潘浩波研究员和刘文广教授,第一作者为深圳先进院博士研究生梁青飞。

深圳先进院阮长顺研究员/潘浩波研究员和天津大学刘文广教授合作《AFM》 :高强度小口径类血管支架规模化制备成为可能

高强度打印墨水的可打印性分析

聚N-丙烯酰甘氨酸酰胺(PNAGA)水凝胶(Adv. Mater 2015, 27:3566-3571)是一种具有热塑性和自身修复特性的高强度超分子聚合物,而甲基丙烯酰化明胶(GelMA)是一种化学改性明胶基生物高聚物,由于其光诱导凝胶化、生物相容性、生物降解性以及生物活性,已被广泛应用于组织再生支架的生物墨水制备。然而,可打印性差、力学性能不足等问题严重阻碍了其应用,尤其是在承载组织结构的三维打印中。因此,本研究利用纳米黏土触变特性和增稠作用,构建了新型混合高强度水凝胶3D打印墨水,成功实现3D同轴打印技术高强度小口径类血管支架的构建(图1 A)。通过调节打印墨水成分(Clay/NAGA/GelMA)组成(图1 B),实现其优异的可打印性能,取决于纳米粘土和聚合物链之间的物理互穿作用,可导致这种打印墨水呈现出完美的可打印性和结构稳定性,显著地提高了打印具有尺寸可调和可伸缩微管的沉积精度(图1 C-D)。

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图1同轴3D打印构建微管。

A) CNG墨水结合同轴打印技术一步法制备小口径微管;B)CNG油墨水物料可打印性筛选;C) 流变检测CNG墨水在25°C下的粘度测量和流变行为;D) CNG100-9:1墨水通过单层/双层同轴喷嘴生成超细纤维。

可调直径微管的同轴打印

此外,如图2A所示,通过调整同轴喷嘴的外部尺寸(0.5-3.0 mm)和内部针头尺寸(0.3-2.0 mm),可以轻松地调控微管的外径(OD)、内径(ID)和壁厚(Wall),以满足机体中不同部位管状结构的尺寸范围。本研究成功实现了外径可调范围为0.5至3.0 mm的微管(图2B),与之前的研究相比,其在管状组织中的潜在利用范围更广,因为之前的研究只能创建有限尺寸微管。为了更好地说明打印微管尺寸的可控性,我们进一步设计了具有相同外径但不同内径(图2C Ⅰ,Ⅱ)、相同外径但不同内径(图2D Ⅰ,Ⅱ)以及相同壁厚但外径和内径不同的微管(图2E Ⅰ,Ⅱ)。同时,通过这种简便的方法,成功地获得了直径小于1mm的微管。

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图2 三维同轴打印制备尺寸可控的小口径管状支架

A Ⅰ,Ⅱ)同轴针头的示意图和尺寸可控性;B)不同直径的小口径管状支架(0.5 mm – 3.0 mm);C Ⅰ,Ⅱ)相同外径不同内径的微管;D Ⅰ,Ⅱ)相同内径不同外径的微管;E)相同壁厚,不同外径的微管;F Ⅰ,Ⅱ)直径小于1 mm的微管。

微管的力学性能表征

如图3A-B所示,本研究构建的微管,在电动机械测试仪上拉伸的微管的长度是原始长度的4-5倍左右,表明其强大的机械拉伸性能。特别是CNG100-9:1微管的抗张强度为22 MPa,断裂伸长率为~500%,杨氏模量为21 MPa(3C),完全满足了小直径管状组织的机械要求。同时,本文还通过DMA蠕变模式探索了具有相同壁厚的微管的抗疲劳性能。在室温下经过200次循环后(图 3D,E),这两个以3D打印为主的水凝胶微管仍可以保持完整,并且在测试前后,微管的形态没有显著差异(图3 F,G),这表明其具有出色的CNG水凝胶微管的抗疲劳性能。这些独特的性能将使这些微管的应用更加广泛,尤其是在血管组织工程中。

为了进一步考察小口径管状结构支架是否适合作为血管移植物的候选物,本章将对其进行了抗爆破压和缝合线保持强度测试(图4 A-B)。本研究打印的微管在不同的组分下达到了更高的破裂压力约为~1500 – 2500 mmHg。这种优异的爆破压力也高于人大隐静脉的爆破压力(1599 ± 877 mmHg)(图4 A)。同时,如图4 B所示,NAGA / GelMA = 9:1-3 / 0.3微管显示了约280 gf的最高断裂缝合强度,几乎是大鼠主动脉(约141 gf)的两倍。综上所述,这些力学性能特征强烈说明3D同轴打印技术制备的水凝胶微管具有良好的血管移植条件。图 4 C-G展示了打印微管的承重能力。其中,微管能够最高承受1 kg的重量,并且可以拉伸到其原始长度的4倍以上,从而进一步证明了其出色的韧性和拉伸强度,这是以前从未报道过的。

微管的快速自我恢复能力对于小口径微管组织也非常重要。在研究中,用镊子反复捏紧后,微管可立即恢复到其原始尺寸(图 5 A、C)。在1.5 kg重量的压缩12 h后,CNG100-9:1微管可在覆水后恢复到其原始形状,而没有发生严重的变形(图 5 B、D)。有趣的是,微管经过打结拉伸后,重新注入红染料液体而没有任何泄漏,表明它们具有良好的回弹力(图 5 E,F)。

小结

本研究表明,通过3D同轴打印技术可以制备具有尺寸可调的高强度生物复合水凝胶小口径管状支架。生物复合的水凝胶生物墨水具有出色的可打印性和自支撑性,主要归功于物理互穿、化学交联和可逆的NAGA氢键键合的相互作用。通过调节同轴打印的程序即可获得连续稳定的水凝胶微管并且微管的长度和直径可通过调控同轴喷嘴的外部/内部针头的尺寸来控制。此外,该提出的策略适合用于扩大生产具有可变直径的微管。重要的是,CNG水凝胶微管显示出溶胀稳定性、高韧性、超拉伸性、抗压缩性、快速的自恢复特性等。本研究为扩大高强度微管的规模化制造开辟了一种通用且简便的方法,该技术在管状组织的再生中具有巨大的潜力。

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图3 CNG水凝胶小口径微管的拉伸机械性能分析

A-B)CNG水凝胶小口径管状支架的拉伸;C)杨氏模量;D-E)循环拉伸;F-G)循环拉伸测试前后样品变化图。

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图4 CNG水凝胶小口径微管的爆破压、断裂缝合性能和承重性能分析

A-B)CNG水凝胶小口径微管的爆破压、断裂缝合性能和承重性能;C-D)CNG水凝胶小口径微管的承重性能检测(C-D)及变形率统计图(E-G)。

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图5 小口径微管的快速恢复性能分析

A-C)镊子挤压后恢复;B-D)重物压缩后再恢复;E-F)打结后再灌注。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900867

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