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天津大学刘文广团队《AFM》:3D打印高强度、抗溶胀超分子水凝胶作为半月板替代物!水凝胶自增稠和自增强新策略!

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高分子科学前沿 2021-02-26 11:37

半月板损伤可能导致膝盖功能受损,明显疼痛甚至残疾。尽管目前的半月板切除术策略可以部分缓解疼痛,但仍然存在关节软骨变性甚至骨关节炎的风险。迫切需要设计和构造具有与天然半月板相似的几何形状,高机械性能以及生理条件下的溶胀稳定性的半月板替代物。最近,蓬勃发展的3D打印技术为个性化疗法提供新的可能性,然而,由于缺乏内在抗溶胀能力,大多数高强度水凝胶打印体系不能在水环境维持它们原来的机械性能和预先设计的尺寸,这严重阻碍他们在生理环境中的应用。就半月板而言,很少有研究致力于制造高强度和抗溶胀的稳定水凝胶,从而评估它们在体内作为半月板替代品的应用。

近日,天津大学刘文广教授团队使用超分子聚(N丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)水凝胶,提出了一种自增稠和自增强的策略,即将浓缩的NAGA单体加载到热可逆的低强度PNAGA水凝胶中,可以直接3D打印氢键增强水凝胶。将自增稠的高强度PNAGA水凝胶3D打印后,作为替代品植入兔子的膝盖,显示出有效缓解软骨表面磨损的能力。自增稠策略适用于直接印刷各种基于聚合物水凝胶的组织工程支架而无需牺牲机械强度,从而避免了印刷高强度水凝胶的问题并扩大了其应用范围。相关工作以“A Self‐Thickening and Self‐Strengthening Strategy for 3D Printing High‐Strength and Antiswelling Supramolecular Polymer Hydrogels as Meniscus Substitutes”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

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自增稠和自增强策略设计】

自增稠和自增强策略核心思想是要制备低浓度的低强度热可逆PNAGA水凝胶,然后将浓缩的NAGA单体装入其中以形成油墨,低强度PNAGA水凝胶可增稠浓缩的NAGA单体,并通过基于热辅助的3D打印技术进行打印。打印后,封装的浓缩NAGA进一步聚合,从而抵消了预添加的PNAGA增稠剂的低强度。

自增稠和自增强策略用于3D打印高强度和抗溶胀的PNAGA超分子聚合物水凝胶示意图

【PNAGA + NAGA油墨的制备和表征】

将PNAGA软水凝胶(3、3.5和4 wt%)加热至溶胶状态,然后溶解一定量的NAGA单体(15、20、25和30 wt%)和光引发剂(IRGACURE 1173)获得均匀的PNAGA + NAGA混合物。在冷却至室温后,PNAGA + NAGA混合物可形成热可逆软凝胶。流变测试显示更多单体的负载导致较低的转变温度,并且随着NAGA浓度的进一步增加,转变温度下降幅度更大。油墨具有剪切稀化行为和热敏恢复行为。PNAGA+NAGA油墨对于基于挤出的3D打印非常有利,并且能够保持挤出的水凝胶线的出色打印精度。

不同配比的PNAGA+NAGA油墨的流变测试

【PNAGA-X-Y水凝胶的 制备和表征】

为了使这些PNAGA+NAGA油墨成为高强度水凝胶,必须通过预载光引发剂的引发使封装的NAGA单体聚合,此时得到的水凝胶被称为PNAGA-X-Y水凝胶(X表示PNAGA软水凝胶的NAGA浓度,Y表示后加载的NAGA单体的浓度)。这种两步法制备的PNAGA-X-Y水凝胶具有良好的抗溶胀性能,有利于保持印刷构造的结构稳定性和机械性能。并且表现出浓度依赖性的机械性能。后添加单体的聚合不影响机械和溶胀行为。这将允许对具有机械强度且抗溶胀的超分子PNAGA水凝胶进行3D打印

PNAGA水凝胶的机械性能

【3D打印自增稠油墨】

考虑到PNAGA + NAGA油墨在溶胶状态下的粘度太低而不能挤出为连续的细丝,因此在印刷之前,通过加热对PNAGA+NAGA水凝胶进行了预处理,但将温度控制在比凝胶-溶胶转变温度低10°C。在此温度下,PNAGA + NAGA墨水仍保持凝胶状态,挤出前氢键交联仅部分破坏。这可以防止墨水从喷嘴泄漏,并确保连续的线以高保真度挤出。当空气压力施加到墨水上时,就会发生凝胶-溶胶转变,这种剪切稀化功能使墨水能够轻松通过喷嘴,从而保持挤出线的光滑表面。由于消除了加热和剪切应力而使墨水从喷嘴喷出后,重整的水凝胶沉积在平台上,在此平台上,长丝可以很好地支撑打印结构的整个结构,并在其上保真度更高。在将水凝胶细丝沉积在平台上之后,施加UV以引发负载的浓缩的NAGA单体的自由基聚合。最终,可以获得具有优异机械强度和溶胀稳定性的3D打印PNAGA水凝胶结构。

PNAGA + NAGA油墨的印刷工艺和相应的结构变化

研究人员通过熔融挤出3D打印技术打印了一系列基于PNAGA-水凝胶的体系结构。分别打印一个弹性矩形网格(长度:20 mm;宽度:20 mm;厚度:2 mm),了带有不同层号的矩形网格结构(长:20 mm;宽:20 mm;层高:0.5 mm;喷嘴内径:0.51 mm)和较大面积(长度:70 mm;宽度:70 mm;厚度:0.6 mm)的水凝胶印刷网。结果证明,可以通过自增稠和自增强机制印刷PNAGA水凝胶,而不会牺牲其堆积强度,该机理提供了印刷PNAGA水凝胶结构的强大机械性能。

3D打印的PNAGA‐4%–30%水凝胶结构的宏观观察

为了证实自我增稠策略的普遍性,选择具有不同侧基(例如,中性,阴离子和两性离子)的几种聚合物(例如聚丙烯酰胺(PAAm),聚(羧基甜菜碱丙烯酰胺)(PCBAA),聚丙烯酸(PAAc)和聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸)(PAMPS)的化合物来制备油墨。与单体溶液相比,相应的聚合物+单体混合物的粘度和剪切稀化行为明显更高。这种自我增稠策略可以扩展为印刷多种聚合物,而无需增加外来增稠剂。当然,由于缺乏强氢键相互作用,这些水凝胶构造物在机械上比印刷的PNAGA水凝胶弱得多。

多种系统的单体溶液,聚合物溶液和聚合物+单体油墨的粘度及3D打印

【半月板支架的体内植入】

研究人员打印了基于PNAGA水凝胶的半月板支架,该支架植入兔子的膝盖关节中,并且从后腿完全去除了半月板。手术后四周,从兔子的步态观察发现,由于缺乏半月板保护功能,阳性组(去除半月板)无法正常行走或向前跳跃。相反,植入了PNAGA半月板替代物的兔子(实验组)的行为正常。与半月板切除术组相比,在实验组中观察到了较小的磨损,这表明3D打印的PNAGA水凝胶支架的植入可以很好地保护软骨病变。

3D打印基于PNAGA水凝胶的支架及其在体内作为半月板替代品的应用

总结:研究人员提出了一种自我增稠和自我强化的策略,以直接印刷具有维持强大机械性能能力的高强度水凝胶。首先制备可注射的柔性超分子聚合物水凝胶,然后将其与浓单体和引发剂一起加载以形成自增稠油墨,然后将其直接印刷到自支撑水凝胶结构中。后载单体的聚合由于补偿了聚合单体的自增强作用,导致了牢固的水凝胶印刷。超分子的PNAGA水凝胶可被印刷到高强度和抗溶胀的结构上,该结构是由双酰胺之间强氢键的重建产生的。该策略适用于直接印刷多种聚合物水凝胶,而无需另外使用外加增稠剂。鉴于在水环境中的高强度和抗溶胀能力,将自增稠的高强度PNAGA水凝胶打印以代替已去除兔子的半月板的功能。体内结果表明,打印的PNAGA水凝胶半月板替代品可有效缓解软骨表面磨损。这种自我增稠和自我强化的策略可以扩展到定制广泛的高强度水凝胶支架,以用于退化性承重软组织的个性化治疗。

来源:高分子科学前沿

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