在3D生物打印領域，水凝膠作為常用材料，雖具高含水量等優勢，卻面臨打印后腫脹難題。打印后的腫脹會改變打印結構的幾何與機械性能，致使與原始設計出現偏差，對細胞功能及組織結構產生不良影響 。盡管科研人員在開發非溶脹水凝膠方面投入諸多努力，但因材料合成繁瑣、網絡結構復雜等局限，其在3D細胞封裝及生物打印中的應用仍有待實現。  
     來自瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的Kongchang Wei教授團隊 ，聯合多方開展深入研究，致力于突破這一困境。他們以冷水魚明膠（cfGel）為原料，借助硫醇-烯“點擊”化學構建了僅含單一網絡的新型非溶脹水凝膠 。相關工作以“Mechanically Robust Non-Swelling Cold Water Fish Gelatin Hydrogels for 3D Bioprinting”為題發表于《Materials Today Bio》 ，為解決3D生物打印中水凝膠腫脹問題提供了創新性思路，有望推動組織工程和再生醫學領域的發展。
 

1. 水凝膠合成與流變特性，通過合成cfGel-NB和cfGel-SH功能聚合物，利用硫醇-烯“點擊”化學交聯，結合流變學測試（時間掃描、應變掃描、頻率掃描），研究了不同cfGel-NB與cfGel-SH質量比（R）對水凝膠交聯效率、剛度（G'）和線性粘彈性范圍的影響。結果表明，UV曝光10秒內可快速成膠，R=4:6時G'最高，水凝膠可承受100%應變未斷裂，呈現低阻尼特性。      
 

2. 生理條件下的非溶脹特性，通過在不同濃度PBS、超純水（UPW）、NaCl和CaCl₂溶液中測量溶脹率（SR），研究了cfGel-水凝膠的溶脹行為與離子強度的關系。結果表明，R=5:5的水凝膠在PBS中溶脹率<±10%，表現為非溶脹；高鹽溶液（如8×PBS）導致脫水收縮，而低離子強度溶液（如UPW）引發顯著腫脹，Ca²⁺通過與明膠羧酸基團相互作用增強脫水收縮。      
 

3. 機械性能與分子機制，通過循環壓縮測試、楊氏模量測量和橡膠彈性理論計算，研究了水凝膠在PBS和UPW中的力學響應及分子鏈構象變化。結果表明，PBS中受限溶脹使水凝膠具備高機械穩健性（承受80%壓縮應變，滯后率>40%），而UPW中溶脹導致力學性能下降；分子鏈在PBS中的構象收縮率達49%，交聯點間距縮短，解釋了能量耗散與快速恢復特性。      
 

4. 細胞封裝與3D生物打印，通過Alamar Blue代謝活性檢測、活/死染色和免疫熒光成像，研究了人真皮成纖維細胞（HDFs）在不同濃度cfGel-水凝膠中的存活、增殖和 spreading行為。結果表明，5 wt%和7.5 wt%水凝膠支持細胞長期存活，10 wt%因剛度較高限制細胞擴散；結合FRESH技術打印含細胞的多層網格結構，證明水凝膠在2周培養中保持形狀保真度，僅因細胞收縮力出現輕微彎曲。      
 

研究結論
本研究開發了一種全冷水魚明膠基“點擊”水凝膠（cfGel-Hydrogel），其通過單網絡結構和硫醇-烯化學交聯，在生理條件下表現出顯著的抗溶脹性（溶脹率<2%）。非溶脹特性源于明膠聚合物在鹽溶液中的構象收縮，賦予水凝膠能量耗散（滯后率>40%）和快速恢復的機械性能，可承受80%壓縮應變而不發生內聚破壞。細胞封裝實驗表明，該水凝膠具有優異的細胞相容性，支持人真皮成纖維細胞在3D結構中長期存活和擴散。通過擠出式3D生物打印驗證，含細胞的打印結構在培養過程中保持形狀穩定性，僅因細胞收縮力產生輕微形變。本研究為構建形狀保真、力學穩健的生物打印組織提供了新平臺，在再生醫學和疾病建模領域具有應用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101701

(責任編輯：admin)

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