尽管同轴挤压印刷在制备用于模拟管状组织的微管方面取得了很大进展，但这些机械性能不足、固有膨胀属性不可控的微管严重阻碍了其作为承载管状组织的应用。在这里，研究团队用定制的生物杂化水凝胶油墨(由纳米粘土、氢键单体N-丙烯酰甘氨酰胺和明胶甲基丙烯酰基组成)通过同轴打印构建了高强度微管。
纳米粘土和高分子链之间的物理互穿使这种墨水具有优异的印刷性能和结构稳定性，从而有助于精确沉积具有可调小直径和大尺寸长度的可伸缩微管。经光交联处理后，3D-打印生物杂化水凝胶微管显示出优异的力学性能，在膨胀平衡状态下，其抗拉强度(≈22 Mpa)、延伸性(≈500%)、杨氏模量(≈21 Mpa)、抗疲劳性能(≈200循环)、破裂压力(≈2500Gf)和缝合保持强度(≈280gf)都远远优于先前印刷的微管，基本满足肾小管组织的要求。
此外，获得的微管还表现出良好的生物学特性，支持人脐静脉内皮细胞的粘附、铺展和内皮化。这项研究成功地开发了一种生物杂化水凝胶墨水，以制造一种可伸缩的高强度微管，该微管在管状组织再生方面具有巨大的潜力。
虽然同轴挤压印刷在制备用于模拟管状组织的微管方面取得了很大进展，但这些力学性能不足、固有膨胀属性无法控制的微管严重阻碍了其作为承载管状组织的应用。在这里，Qingfei Liang团队用定制的生物杂化水凝胶油墨(由纳米粘土、氢键单体N-丙烯酰甘氨酰胺和明胶甲基丙烯酰基组成)通过同轴打印构建了高强度微管。
高强度水凝胶已经被创建为用于承载组织再生的具有机械稳定性的复杂结构的3D打印的理想墨水候选，研究团队制备了高强度和稳定膨胀的超分子聚(N-丙烯酰甘氨酰胺)(PNAGA)基水凝胶油墨，其具有依赖于温度的粘弹性特性，能够直接热辅助打印用于骨和骨软骨再生的坚韧的生物杂化支架。
此外，研究团队还制备了高强度和稳定膨胀的超分子聚(N-丙烯酰甘氨酰胺)水凝胶油墨，其具有依赖于温度的粘弹性特性，能够直接热辅助打印用于骨和骨软骨再生的坚韧的生物杂化支架。为了实现可生物降解的高强度水凝胶油墨，用于组织再生支架的3D打印，我们进一步通过将N-丙烯酰基-2-甘氨酸(ACG)的可逆氢键引入到组织再生支架中，获得了一种基于明胶的高强度水凝胶(PACG-GelMA)。然而，迄今为止，还没有通过同轴打印技术制备高强度水凝胶小直径管状移植物用于肾小管组织重建的研究。
图1.微管的制作。A)使用CNG油墨进行微管的同轴挤压印刷，其中GelMA、纳米粘土和NaGa通过紫外光一步共价交联。B)这些CNG油墨的印刷性分析。C)CNG100-Y(Y=5：5，7：3，9：1)水凝胶在1~100s1的剪切速率扫描下，在25°C下的粘度测量和流变行为，表明剪切变稀行为。D)使用CNG100-9：1墨水通过双层同轴喷嘴生成微纤维的照片。
在此，研究团队提出了一种简单的策略，基于定制的生物混合高强度水凝胶油墨，结合简单的室温同轴挤压打印技术，生成可缩放的微管(图1A)。特别是首次提出了一种基于纳米粘土、氢键单体N-丙烯酰甘氨酰胺(NAGA)和GelMA的新型生物杂化水凝胶油墨，简称CNG油墨。
此外，还证明了纳米粘土本身可以通过各种可能的途径影响细胞行为，包括直接调节细胞粘附、蛋白质定位及其降解产物，纳米粘土本身可以通过直接调节细胞粘附、蛋白质定位及其降解产物来影响细胞行为。在本研究中，NaGa组分有望被引入到具有生物降解性的高强度水凝胶和由侧链上的两个酰胺组成的NAGA单体以获得高强度水凝胶。
图2.直径可调的微管。A)设计了外径和内径可变的双层同轴喷嘴。B)使用CNG100-9：1墨水拍摄直径从0.5到3.0 mm可调的微管的图像。荧光显微镜照片显示3D打印的微管C)具有相同的外径(2.7 mm，由紫虚线表示)但ID不同D)具有相同的ID(600m，由紫虚线表示)但不同的外径以及E)相同的壁厚(300或500微米，由紫虚线表示)但不同的外径和ID。F)成功地获得了直径小于1 mm(用紫色虚线表示)的微管。
此外，如图2A所示，通过调整同轴喷嘴的外径(0.5~3.0 mm)和内针尺寸(0.3~2.0 mm)，可以很容易地调整微管的外径(OD)、内径(ID)和壁厚，以满足体内管状结构的可变直径范围。因此，研究团队已经获得了外径从0.5到3.0 mm可调的微管(图2B)，与以前只能开发出有限直径的微管相比，它在肾小管组织中的潜在应用范围要广泛得多。
此外，我们获得的微管的直径接近大鼠主动脉、食管和气管的大小，也在人类小直径管组织的范围内(图S10)。此外，研究团队获得的微管的直径也接近大鼠主动脉、食道和气管的大小，也在人类小直径管组织的范围内(图S10)。为了更好地说明印刷微管尺寸的可控性，研究团队进一步设计了具有相同外径但不同ID(图2C(I，II))、具有相同ID但不同OD(图2D(I，II))以及相同壁厚但不同OD和ID(图2E(I，II))的印刷微管。同时，通过这种简便的方法，成功地获得了直径在1 mm以下的微管(图2F(I，II))。
图3.使用CNG100-9：1墨水放大制造大长度微管。A)连续制造长达68 cm的微管(OD/ID≈2 mm/1.2 mm)(I)被编程为复杂的“中国结”(II)。B)直径可调的大长度微管(I：OD/ID≈2 mm/1.2m mm；II：OD/ID≈2.5m mm/1.6m mm；(Iii)成功获得OD/ID≈2.1m/1.4m)，然后编织成各种图案，如祥云、扭绳等。c)将60m(I)的微细管子(OD/ID≈0.5m/0.3m)连续制作成“线圈”(Ii)，其外径和内径分别约为500m和300m(iii，iv)。
如图3所示，研究团队通过连续制作不同直径的大长度管状支架，进一步证明了我们优化油墨的优越性。
图4.微管的机械性能。测定外径/内径(≈3.0m m/2.4m m)微管的拉伸应力-应变曲线，并以主动脉、食道为对照，测定其杨氏模量；给出了直径为D)OD/ID(≈3.0m m/2.0m m)和E)OD/Id(≈2.0m m/1.0m m)的微管在拉伸变形率为20%恒定200次循环条件下的循环应力-应变曲线，以及相应微管试验前后的形貌。误差条代表标准差，P值：*P<0.001，**P<0.01，*P<0.01。
理想的组织工程管状结构应该具有足够的机械强度和可接受的缝合保持强度。在这里，研究团队通过一系列的力学测试来彻底验证3D打印微管在潜在的管状组织工程中的适用性。机电测试仪上拉伸的微管长度是原始长度的三倍多，表明其强大的机械拉伸性能
图5.微管的破裂压力、缝合保持强度和承载能力。同时测定了微管的破裂压力(A)、缝线保持强度(B)。不同重量(C、D)的印刷微管(OD/ID≈3 mm/2.4m mm)承载能力照片和空心管(E-G)承载能力的统计分析。误差条表示标准差，P值：*<0.001，**<0.01，*<0.01
微管的爆破压力测试如图5A所示。与主动脉的≈862毫米汞柱、食道的≈700毫米汞柱和气管的≈1500毫米汞柱的爆破压力相比，研究团队的印刷微管在不同成分下获得了更好的≈1500-2500mmHg的爆破压力。这一改进后的破裂压力也高于作为自体血管移植基准标准的人类大隐静脉的破裂压力。
图6.微管的自愈能力。A)用钳子反复夹住微管后快速恢复；C)定量数据。B)承受重物压缩后的管子恢复；d)量化数据。E)打结拉伸后，微管可以再灌流，没有任何泄漏(OD/ID≈3 mm/2.4 mm)(F)
微管的快速自愈能力对于肾小管组织也是非常重要的。在用镊子反复捏住之后，微管可以立即恢复到原来的尺寸。
图7.微管的渗透率。A)通过管的一端注入(中间)红染液后，灌注0.8~2.8 mm不同直径的微管。B)含0.7 kDa曙红Y染料的微管的渗透性(I)和PBS中小分子含量随时间变化的定量检测(II)。C)以70kDa FITC-Dexan(10molL-1)为大分子模型的不同直径微管在0和10min灌流时的通透性(I)，并用ImageJ(II)定量分析沿白线方向的荧光强度。
此外，通过染料注入试验评价了水凝胶微管的灌注性。
为了确定在CNG水凝胶中培养的人脐静脉内皮细胞的表型，我们用免疫细胞化学方法检测了两种内皮细胞标志物：血小板内皮细胞黏附分子和血管性血友病因子的表达。同时，F-肌动蛋白和细胞核也被拉伸以显示细胞的粘附和铺展。
综上所述，通过同轴印刷成功制备了高强度的生物杂化CNG水凝胶微管。由于物理互穿、化学交联和可逆NaGa氢键相互作用的共存，生物杂化水凝胶油墨表现出良好的印刷性能和自支撑性能，只需调节同轴喷嘴的内外针尺寸，就可以连续稳定地打印出长度较长、直径可调的微管。此外，该策略还适用于变径微管的放大生产。
重要的是，CNG水凝胶微管具有溶胀稳定性、高韧性、超伸长性、抗压性、快速自愈性、优异的灌注性以及可控的渗透性。此外，CNG水凝胶微管表现出良好的生物相容性和加速的内皮化，提示其作为管状组织移植物具有良好的应用前景。研究团队认为，本研究为高强度微管的规模化制造开辟了一条通用性强、简单易行的方法，在管状组织再生方面具有巨大的潜力。