调控光固化3D打印水凝胶力学性能策略的研究进展*

姜雪冰,吴文碧,李波,邵彦翔,李响△

(1.四川大学 生物治疗国家重点实验室,成都 610041;2. 四川大学华西医院 泌尿外科/泌尿外科研究所,成都 610041)

0 引言

光固化三维(three dimension,3D)打印主要采用计算机控制激光束或数字光,触发光敏材料按照特定图案逐层光固化,以得到个性化定制的构建体。该技术成型速度快、精度高,为体外构建组织器官等生物医学工程研究提供了重要技术支撑[1-3]。水凝胶是光固化3D打印组织器官的重要支架材料,是以水为分散介质的3D网状结构,其固有的组成成分和结构类似于细胞外基质,为嵌入细胞的活力和细胞行为的调节提供保障[4-5]。光固化水凝胶材料主要为烯烃单体材料(例如聚乙二醇二丙烯酸酯(polyethylene glycol diacrylate, PEGDA)、甲基丙烯酰化明胶(gelatin methacryloyl, GelMA)及甲基丙烯酰化透明质酸(hyaluronic acid esterified by methacrylate, HAMA)等),或某些特定的光化学反应基团修饰的单体材料(例如巯基-烯、降冰片烯修饰的聚乙二醇等[6-7])。

水凝胶的力学性能指其在一定环境下,承受如:拉伸、压缩、弯曲及扭转应力等外加载荷时,所表现出的力学特征。一般采用杨氏模量来表征,即应力应变之间的比例关系,根据检测方法不同,可使用压缩模量和拉伸模量表征水凝胶的压缩、拉伸性能。对于性能较差的水凝胶,也可以采用剪切模量、损耗模量等[8-9]流变学性能表征其粘弹性。相关研究表明,水凝胶力学性能可诱导细胞将微环境的机械应力信号转化为生化信号,继而影响细胞的形态、迁移、增殖和分化等[10]。Xie等[11]将脱细胞基质微粒与GelMA水凝胶按一定比例混合,有效提高了水凝胶的机械性能,软骨细胞在水凝胶中增殖和体内耳软骨再生方面均有明显优势。Du等[12]利用二次交联的方式提升k-角叉菜胶/聚丙烯酰胺(k-CG-PAAm)双网络水凝胶力学性能,软骨细胞在水凝胶中经循环压缩后,仍能保持高活力,证明了坚韧支架的承载能力可为细胞提供有利的微环境。通过对水凝胶力学性能的调控,可更好地模拟组织微环境,以满足不同细胞的特定需求。此外,将水凝胶植入体内时,为避免因水凝胶刚度过高或过低而与周围组织产生磨损、挤压等作用,3D打印的水凝胶必须拥有与活体组织相匹配的力学支撑[13-14]。

光固化水凝胶是由自由基引发的链聚合反应,即在光源照射下,光引发剂吸收光子而裂解成自由基,自由基与预聚物中的乙烯基键发生反应,聚合物链间发生化学交联而形成水凝胶。但目前光固化3D打印水凝胶普遍存在弹性、硬度等力学性能达不到预期效果的情况。这是因为水凝胶的网络结构由共价键相连接,虽然共价键的稳定性强,但其断裂的不可逆性使得水凝胶在受到较强外力时,会产生不可逆的损伤,且单一组分的水凝胶力学性能单一,导致与活体组织不匹配,无法实现复杂结构和大尺寸的打印。如何改善光固化3D打印水凝胶的力学性能是目前生物材料研究的重点之一。

本文针对较常用的光固化3D打印水凝胶材料,例如:甲基丙烯酰基团(methacryloyl, MA)修饰明胶(gelatin,Gel)得到的甲基丙烯酸酰化明胶(GelMA)等,从水凝胶网络结构、水凝胶制备工艺条件以及打印结构等方面简述了几种改善材料力学性能的途径,见图1,并总结了目前光固化3D打印水凝胶在力学性能研究方面所面临的挑战。

图1 光固化3D打印水凝胶力学性能的影响因素示意图

1 光固化3D打印水凝胶力学性能的优化途径

1.1 水凝胶网络结构

光固化3D打印水凝胶是由一种或两种以上的光敏单体光聚合形成的交联网络结构,其力学性能主要与网络结构相关。对于单一网络结构而言,主要通过改变单体材料自身特性来改善水凝胶的力学性能,但可调控的范围有限。通常考虑采用不同交联方式或共混其他成分的方法调控水凝胶的网络结构,制备得到不同力学性能的光固化3D打印水凝胶。根据水凝胶网络结构调控方式,大致分为单一网络结构、共聚、掺杂和二次交联四个方面,见图2。

图2 水凝胶网络结构的优化途径

图3 水凝胶制备工艺的优化途径

图4 水凝胶打印结构的优化途径

1.1.1单一网络结构 制备水凝胶的光敏单体按主要来源分为天然材料和合成材料两类,一般而言,大部分合成材料类(例如硅酮和聚乙二醇等聚合物[15-16])水凝胶的力学性能优于天然材料。影响光固化水凝胶力学性能的因素主要包括单体光敏基团取代度、分子量以及分子结构等。其中,光敏基团取代度是主要影响因素。以常用的GelMA为例,研究表明,在相同浓度(质量百分比为30%)下,MA取代度为94.9%的水凝胶储能模量是67.6 kPa,而取代度为14.8%的模量则只有1.9 kPa[17]。单体分子量也会影响水凝胶的力学性能,例如分子量为700 Da的PEGDA打印结构抗拉伸性能优于分子量为250 Da的结构;在相同浓度下,分子量高的水凝胶断裂伸长率更高[18]。参与聚合物之间化学交联反应的乙烯基键随着MA取代度的升高而增加,同等条件下,当MA的取代度越高,则聚合物链之间的化学交联反应越多,可形成更致密的网络结构,提供更强的力学性能。

1.1.2共聚 目前常利用不同力学性能的光敏单体共聚制备性能优越的水凝胶。共聚水凝胶主要是由两种或两种以上的单体通过共价键的方式形成的互穿聚合物网络(IPN)。例如,采用力学性能较强的PEGDA与生物相容性好的GelMA混合,可明显提高水凝胶的压缩性能至原来的6倍,成骨细胞能在该共聚水凝胶表面黏附增殖[19]。透明质酸(hyaluronic acid, HA)是另一种生物相容性较好的可降解生物材料,具有高粘弹性和空间填充性,但其压缩性能只有0.01～8.00 kPa,力学性能和加工性能都较差[20-21]。Rakin等[22]将HAMA与GelMA按不同比例混合共聚制备水凝胶,随着GelMA浓度增加,质量百分比为2%的HAMA水凝胶弹性模量由2.44 kPa增加到10.8 kPa。Sung等[23]制备可光固化的酪胺功能化海藻酸盐水凝胶(ALG-TYR),通过引入胶原蛋白(COL),将水凝胶的压缩模量提升至到原来数值的33倍。Zhang等[24]将丙烯酰胺与PEGDA共混,在2, 4, 6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧膦(2, 4, 6-trimethyl benzoyldiphenyl phosphine oxide, TPO)纳米引发剂的作用下,可打印出高分辨率、高保真度、拉伸性能较强的复杂结构水凝胶。力学性能检测发现,该水凝胶样品可被拉长到原来长度的13倍以上。组成共聚水凝胶的单体独立交联又相互缠绕,该互穿网络结构不仅可以保留单体的原有特性,还能将不同性能、功能的聚合物稳定的结合在一起,实现性能和功能上的双重提高,使水凝胶的力学性能达到预期。

1.1.3掺杂 掺杂某些特定的纳米颗粒(例如羟基磷灰石、功能化的二氧化硅、氧化石墨烯、碳纳米管等)或掺杂纳米纤维(例如聚己内酯(poly(epsilon-caprolactone), PCL)、蚕丝纤维等刚性材料)可提升光固化水凝胶的力学性能[25-28]。其中,功能化的纳米颗粒可与聚合物链发生相互作用,进而提高本体水凝胶的力学性能[27]。当研究人员在GelMA溶液中添加金纳米颗粒(AuNPs)时,光固化后可将水凝胶的压缩模量提高至原来的1.5倍;当在GelMA溶液添加氯化物盐和羟基磷灰石纳米粒子时,混合形成的新型3D打印墨水可通过离子浓度进行调控,使动态模量达到5 MPa,在关节软骨组织重建方面有潜在的应用价值[29-30]。Antonela等[31]在聚丙烯酰胺(PAAm)中混入不同比例的多壁碳纳米管(MWCNTs),将弹性模量从 6.5 ×105Pa 提高至 1.1×107Pa,表现出优异的机械性能,展现出从组织工程领域到生物电子设备领域的巨大潜力。纳米纤维可与聚合物链之间形成坚固的界面化学键,从而提升光固化水凝胶的力学性能。Li等[32]在巯基化的HA与PEGDA制备的水凝胶中掺杂马来酰亚胺(maleimide, MAL)基功能化的电纺丝PCL纳米纤维。该纳米纤维与水凝胶形成界面共价键,制备得到的水凝胶力学性能与天然脂肪组织相近,其储能模量和剪切模量可随纳米纤维和交联剂PEGDA浓度的升高而增加。另外,将某些特定的细胞引入网络结构也会影响水凝胶的力学性能。Deng等[33]将人转化生长因子β3 (transforming growth factor-β3, TGF-β3)与人骨髓间充质干细胞负载到聚D, L-丙交酯(poly(D,L-lactide), PDLLA)/HA水凝胶中进行体外培养,研究结果表明,通过调控TGF-β3的释放可促进该细胞分泌糖胺聚糖,在一定范围内随着生长因子含量增加,PDLLA/HA水凝胶力学性能增加。在聚合物凝胶网络中加入功能化的纳米颗粒,可使水凝胶在保持本身特性的同时,引入纳米颗粒的稳定性和刚性,此外纳米颗粒或纳米纤维还可与聚合物链之间的界面提供非共价的相互作用,在拉伸压缩过程中耗散能量使水凝胶网络均匀化,显著提高了光固化水凝胶的力学性能。

1.1.4二次交联 在共聚水凝胶中,由于共价键的断裂是不可逆的,在受较强外力拉伸时,水凝胶会发生不可逆的永久性损坏,导致材料的整体机械性能下降。光固化3D打印水凝胶采用化学键合的方式形成交联网络结构,通过辅以物理交联改变水凝胶的力学性能。物理交联通常由温度、pH、浓度和离子等因素引起,常见的交联方式有氢键、疏水作用、静电作用、主-客体相互作用、金属配位键等。例如,单宁酸富含游离羟基,可作为氢键供体渗入到GelMA水凝胶结构中,使得水凝胶的拉伸性能和压缩性能显著提高,可分别提升至原来的6倍和2.5倍;利用类似原理,还有通过添加硫酸铵、乙醇等试剂,增强分子间的疏水作用,提高水凝胶的力学性能[34-36]。家蚕丝素空间结构含有许多因疏水作用和氢键作用形成的结晶或半结晶结构域,因此,经甲基丙烯酰化的家蚕丝素水凝胶(silk fibroin with glycidyl methacylate, Silk-GMA) 具有优越的拉伸性能[37-38]。静电作用同样被应用到提高HA水凝胶力学性能的研究中,在氧化HA和酰肼改性HA水凝胶化学交联之后,通过电荷相互作用在水凝胶内部形成双网络,使其拉伸提高至原来的2.1倍[39]。同时,主客体超分子结构也被应用到优化HA水凝胶力学性能的研究中,将金刚烷与β-环糊精分别连接到HAMA上,预交联后经紫外光固化得到的水凝胶力学性能明显增强;金刚烷与β-环糊精还被用于海藻酸盐水凝胶,使弹性模量最大可达6.5 kPa[40-41]。此外,Yi等[42]采用金属配位键构建了以组氨酸和锌离子(Zn2+)修饰的GelMA水凝胶,组氨酸的咪唑基团可与Zn2+形成金属配位键,通过增加Zn2+浓度,交联水凝胶的压缩模量可从3.5 kPa提升至7.8 kPa。对于二次交联的光固化水凝胶来说,在受到外力拉伸时,其第二次发生的物理交联可充当可逆的牺牲键,以增强水凝胶的韧性,实现自我恢复的特性,提高水凝胶的力学性能。

1.2 水凝胶制备工艺条件

水凝胶制备的工艺条件也是影响光固化3D打印水凝胶力学性能的重要因素之一,包括预聚物浓度、光源强度、曝光时间、光引发剂浓度等。其中,预聚物浓度是最主要的因素。通常预聚物浓度越高水凝胶力学性能越强,例如质量浓度(w/v)为20%的GelMA水凝胶相较于15%和10%的水凝胶,具有更紧密的网络结构,水凝胶压缩模量更高(约100 kPa)[17]。在另一项研究中,质量百分比为30%的Silk-GMA水凝胶压缩模量最高可达120 kPa(50%的形变),拉伸模量最高可到50 kPa(80%的形变),均高于20% Silk-GMA水凝胶[43]。此外,打印所采用的光源波长、光引发剂的浓度、光照强度和时间等均是影响水凝胶力学性能的重要因素[44]。Larsen等[45]发现通过调整PEGDA与环氧单体的比例可大幅度改变水凝胶刚度,环氧单体浓度越高,样品的压缩性能越强;同时,与450 nm蓝光相比,在365 nm的紫外光照下溶液成型更好,且随光照时间延长,压缩性能更优。Xue等[46]采用数字光处理(digital light processing,DLP)3D打印技术调整曝光的时间,而不改变PEGDA水凝胶的几何结构,力学测试结果表明,通过设定最佳曝光时间,柱形镂空结构弹性模量可提高60%。预聚物浓度直接决定单体溶液中含有乙烯基键的多少,光引发剂的浓度决定了通过吸收光断裂产生自由基的多少,因此,预聚物和引发剂浓度越高,体系中越多的乙烯基键与自由基发生反应,聚合物链间的化学交联反应越充分,形成的网络结构越紧密,因而具有更高的力学性能。光源部分包含光的强弱和曝光时间的长短。光照越强、曝光时间越长,可使光引发剂断裂产生更多自由基。在光聚合反应中,各因素相互影响,通过同时调节预聚物浓度、光引发剂浓度以及光源强度、时间可实现较为理想的水凝胶力学强度。

此外,采用冻干或者洗脱等方式对水凝胶进行后处理,形成微纳米孔,使水凝胶具有负泊松比效应,能够增强水凝胶的力学性能[47]。Xia等[48]发现将HAMA/GelMA水凝胶冷冻干燥后,与未经冻干处理的水凝胶相比,冻干水凝胶复水后的杨氏模量提高了2.5倍(约25 kPa)。Hossein等[49]介绍了由木瓜种子粘液和纤维素纳米原纤维(QSM/CNF)组成的新型水凝胶,冷冻干燥后,压缩和弹性模量都增加了2倍左右。Ying等[50]则将聚环氧乙烷作为被洗脱材料,采用双水相乳液原理制备了基于GelMA的微纳米孔水凝胶,压缩力学性能检测数据表明,与标准水凝胶相比,该水凝胶经压缩后,更容易复原,具有一定的形状记忆功能。具有微纳米孔的水凝胶是一种非均质结构,呈现负泊松比效应。当水凝胶材料受压时,材料向被冲击区域聚集变得更加致密,瞬时密度增大,提高抵抗压缩的能力。而一般的均质水凝胶受压时则相反,被冲击区域材料向两侧分离,力学性能明显低于具有微纳米孔的水凝胶。

1.3 打印结构

由于不同的3D设计结构(三角形、矩形、菱形以及六边形等)在轴向和横向的应力分布不同,因而影响水凝胶整体结构的力学性能。通过采用有限元模型来预测部分结构的压缩性能,可为优化结构设计提供理论依据[51-52]。Cui等[53]采用3D打印将不同连接度的设计单元结构进行组合,确保组装成完整3D结构的同时,具有不同的刚度和强度特性。此外,不同的打印方式也会影响其力学性能,对比横向和纵向打印成型制备拉伸样品,发现纵向样品的拉伸韧性约为3.28 MPa,比横向样品的拉伸韧性(0.99 MPa)高3倍以上[54]。三维结构的力学性能主要体现在自身的稳定性与结构的承载力上面,与很多因素相关,包括重心、受力截面面积、截面惯性矩、失稳临界力等。相同截面积的空心圆柱、实心圆柱、方柱,力学性能呈递减趋势,虽然截面积不变,但空心圆柱的惯性矩较大,具有更大的失稳临界力,其结构的承载力也越大,表现出更好的抗压性。此外,三维结构的横向、纵向打印方式也会影响其力学性能,这类似于单向纤维增强复合材料,顺着纤维方向的拉伸强度高于垂直于纤维方向的拉伸强度。当纵向打印时,拉伸水凝胶相当于顺着纤维方向拉伸,当横向打印时,拉伸相当于垂直于纤维方向拉伸。因此,纵向打印的拉伸模量高于横向打印的拉伸模量。

2 总结与展望

力学性能是光固化3D打印水凝胶构建理想生物制品的重要条件。水凝胶网络结构的改变是改善力学性能的主要方法,对于单一网络结构,力学性能可调控的范围有限,而多组分水凝胶网络结构,通过物理化学反应形成交联互穿网络,或掺杂刚性材料使水凝胶网络结构更加紧密,增强力学性能。此外,水凝胶制备工艺的条件及3D打印结构也会影响水凝胶的力学性能。

目前光固化3D打印水凝胶已被应用到神经、软骨和血管等组织中,但不同组织需要生物材料的力学性能和生物学功能存在较大差异,例如血管组织需考虑水凝胶的韧性和物质交换;神经导管则需考虑材料柔韧性、手术缝合性等。如何调控水凝胶力学性能,并将其广泛用于生物医学领域,可从以下几个方面考虑:

(1)共价键的不可逆断裂性限制了光固化水凝胶力学性能的调控,而通过物理交联形成的“牺牲键”一般都具有可逆性,牺牲键的动态性质可为水凝胶提供高机械性能和自修复能力,若能仅通过物理交联使光固化水凝胶形成具有可逆键的网络结构,不含有共价键,则可增强水凝胶的韧性和自修复能力;(2)研究力学性能较优的新型光敏单体材料;(3)利用现有光敏材料进行优化设计,采用多组分方式制备3D打印水凝胶;(4)探索力学性能影响活体组织器官生物学功能实现的作用机制,同时监测3D打印制品在体内力学性能的动态变化,为光固化3D打印水凝胶的设计制备提供新的思路;(5)结合大尺寸复杂结构3D打印技术,开展大动物实验及临床试验等,推动3D打印制品的临床应用。