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3D生物打印墨水交联方式的选择
发布时间:2021-02-02     作者:zzj   分享到:


目前常用的3D生物打印技术有挤出、SLA和DLP等。其中,对于挤出打印,挤压操作影响了生物墨水的流变行为。根据聚合物主链及其官能团的性质,水凝胶生物墨水可以通过各种方法交联,包括化学、物理、酶等形式。在3D生物打印中,墨水的交联类型和交联的密度十分重要。降低交联度可以使生物墨水的流动速度加快,而增加交联度可能导致结构变硬,从而妨碍打印性能。

1. 物理交联方式

随着金属离子的加入(金属配位):离子相互作用是常用的方法之一,用于交联水凝胶在三维生物打印中使用。它通常包括在聚合物溶液中加入多价阳离子以诱导凝胶化。藻酸盐是海藻衍生的阴离子多糖,相邻聚合物链的羧基能够与多价阳离子Mn+结合,通过金属配位形成离子交联凝胶网络(图2A)。除藻酸盐外,结冷胶含多糖的羧基也可通过金属离子的加入进行交联(如图)

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利用明胶-壳聚糖的混合物作为皮肤组织构建的3D生物打印材料,当培养基的pH值大于4.7时,明胶的羧酸基团呈现负电荷。因此,壳聚糖的正电荷铵离子可以与明胶的羧酸基团相互作用,形成静电交联。

2.化学交联方式

(1)光交联

光交联在3D打印应用中具有特别重要的意义,是一种经济有效的方法,因为它可以在室温下进行,而且与其他技术相比,它消耗的能量更少。链生长聚合,如(甲基)丙烯酸酯单体的自由基聚合,是光交联结构的三维生物打印常用的方法。

GelMA是3D生物打印中常用的光交联生物材料之一,是一种价格低廉的蛋白基聚合物,可通过酸或碱处理明胶与甲基丙烯酸酐反应合成,能够在水溶性光引发剂的存在下交联并暴露于光下。

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(2)热交联

通过加热或冷却聚合物溶液进行热交联是简单的交联方法之一,可应用于3D打印过程中能够持续加热或冷却的聚合物。但热交联的胶凝时间比其它交联方法要长。此外,交联程度不能精确控制,加热可能会对生物墨水中的细胞产生不利影响等限制其的应用。使用羧酸盐琼脂糖作为热交联材料与天然琼脂糖进行对比,琼脂糖的羧基化导致交联点螺旋结构的数量减少,因此,增加羧基化降低了机械性能、滞后和热转变。

(3) 化学反应交联

在化学交联的水凝胶生物墨水中,通过各种化学反应,如席夫碱偶联、肼-醛偶联、二炔-阿尔德键和叠氮-炔环加成等,聚合物链之间形成共价键,从而形成网络。

(4)化学交联剂

化学交联剂根据其对水凝胶结构的作用可分为两类:1)零长度交联剂和2)非零长度交联剂。Genipin是从栀子植物果实中分离得到的一种天然交联剂,能与含有伯胺的聚合物如胶原蛋白、明胶或壳聚糖自发反应。

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 3.酶促反应交联

酶可作为催化剂,促进蛋白质聚合物之间形成共价键。由于酶反应的温和性,可以减少细胞死亡,因此,酶交联是一种很有前景的交联方法(图14)。

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墨水的交联方式影响其机械和化学性质,同时会产生不同的细胞反应。通过物理交联方法如氢键、疏水作用、偶极叠加、偶极相互作用、主-客体识别等交联方式制备的生物墨水在细胞包封中有着巨大的应用价值。然而,非共价相互作用形成的交联的动态和可逆性质导致打印结构的机械稳定性差。用较强的非共价键(如配位化合物)或较强的超分子键交联生物墨水有可能克服这一问题。


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