《Small》阿尔伯塔大学：高分辨率3D打印可拉伸颗粒水凝胶细丝!

加拿大阿尔伯塔大学Lingyun Chen教授团队《Small》期刊上发表文章“High-Resolution 3D Printing of Stretchable Granular Hydrogel Filaments for Fabricating Robust and Durable Tissue Phantoms with Tunable Mechanical Strength”，作者研究团队在这项研究中开发了一种基于乳清蛋白微凝胶的颗粒水凝胶（WMGH）及其双网络变体（DN-WMGH），用于高分辨率 3D 打印和组织模拟。通过蛋白 - 多糖相分离法制备出尺寸可控的微凝胶，WMGH 可通过调节打印速度和压力实现 200 μm 分辨率的 3D 打印，墨水扩散率仅约 5%，能构建人耳、主动脉瓣等复杂结构。引入聚丙烯酰胺第二网络后，DN-WMGH 的韧性较纯 PAM 水凝胶提升 36 倍，机械强度在 6–300 kPa 范围内可调，且经 100 次 100% 应变拉伸循环后完全恢复。该材料可模拟从大脑（<10 kPa）到肠道（≈300 kPa）等组织的力学性能，生物相容性良好，在手术训练、植入设备和药物输送系统等领域具有应用潜力。

WHAT—什么是双网络DN-WMGH水凝胶？

双网络DN-WMGH水凝胶是通过蛋白-多糖相分离法制备1、6、20μm乳清蛋白微凝胶并构建颗粒水凝胶（WMGH），再经丙烯酰胺单体浸泡和UV固化形成聚丙烯酰胺第二渗透网络制得，其结构中乳清蛋白微凝胶均匀分布于PAM基质，孔隙小且分布均匀，兼具高分辨率3D打印性能（200μm分辨率、5%墨水扩散率）与优异力学特性，韧性较纯PAM水凝胶提升36倍至1.45MJ/m³，机械强度6-300kPa可调，能模拟多种生物组织力学性能，100次拉伸循环后完全恢复，在手术训练、植入设备等领域应用潜力广泛。

WHY—为什么采用乳清蛋白制备双网络DN-WMGH水凝胶？

采用乳清蛋白制备双网络DN-WMGH水凝胶，因其具良好生物相容性，细胞实验显示存活率超96%；可通过蛋白-多糖相分离法精准调控微凝胶尺寸至1-20μm，适配25G喷嘴实现200μm高分辨率打印；其微凝胶三维网络作为“牺牲相”与PAM网络协同，使韧性提升36倍且强度6-300kPa可调，能模拟多种组织力学性能，同时乳清蛋白pH敏感性解决支撑浴移除与回收问题，来源广泛制备简便。

HOW—研究团队提出一种于乳清蛋白微凝胶的高分辨率 3D 打印材料体系及其双网络增强技术。

近年来，3D打印软材料在组织工程等领域应用广泛，但传统水凝胶打印存在形状保持难题，颗粒水凝胶虽具剪切稀化等优势，却因微凝胶尺寸大导致分辨率低、机械性能弱。引入双网络结构可增强性能，但缺乏力学调控方法且生物聚合物基微凝胶不足。该研究开发基于乳清蛋白微凝胶的DN-WMGH，通过相分离法制备1-20 μm可控尺寸微凝胶，实现200 μm高分辨率打印，调控微凝胶尺寸使力学强度在6-300 kPa可调，结合嵌入式打印技术，为组织模拟应用提供新途径。

图1 均匀且尺寸可控的乳清蛋白微凝胶的表征

图1主要展示了均匀且尺寸可控的乳清蛋白微凝胶的制备及表征过程：通过蛋白-多糖相分离法制备乳清蛋白微凝胶，经热处理形成三维交联网络，可通过调整蛋白与多糖体积比将微凝胶平均尺寸控制在1、6和20 μm，其表面粗糙且内部多孔；将微凝胶悬浮液经离心堵塞后制备颗粒水凝胶（WMGH），共聚焦显微镜观察显示，随着微凝胶尺寸减小，WMGH的堆积密度增加，孔隙率从21.2%降至15.7%，平均孔径从61.6 μm²减小至22.6 μm²，这种结构使WMGH墨水具备高分辨率打印能力。

图2 颗粒水凝胶（WMGH）墨水的流变行为与可注射性能

图2主要探究了乳清蛋白颗粒水凝胶（WMGH）墨水的流变行为与可注射性能：所有WMGH墨水均呈现剪切稀化特性，且微凝胶尺寸越小，黏度和储存模量（G'）越高（如WMGH-1的G'达5500 Pa），并在高低应变循环中展现快速自愈合能力；通过22G喷嘴挤出测试发现，较小尺寸的WMGH-1和WMGH-6在更宽压力范围（40–100 kPa）内可形成连续光滑丝材，而WMGH-20因堆积密度低仅在窄压力区间（30–60 kPa）维持丝材形态，该流变特性使WMGH墨水在3D打印中兼具高分辨率与形状保持能力。

图3 乳清蛋白颗粒水凝胶（WMGH）墨水的 3D 打印性能

图3主要展示了乳清蛋白颗粒水凝胶（WMGH）墨水的3D打印性能：打印的网格结构显示，WMGH-1和WMGH-6的墨水扩散率仅7.3%和8.0%，窗口打印性达1.3，显著优于WMGH-20（扩散率40.3%，打印性0.52）；垂直圆柱结构测试中，前两者高度保持率接近100%，展现出色的层间堆积稳定性；此外，利用WMGH-6成功打印人耳和主动脉瓣等复杂结构，验证了其高形状保真度和复杂构造能力，解决了传统颗粒水凝胶打印分辨率低、结构易坍塌的问题。

图4 DN-WMGH 水凝胶的力学性能调控

图4主要呈现了3D可打印双网络乳清蛋白颗粒水凝胶（DN-WMGH）的力学性能：相比纯聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，DN-WMGH的拉伸强度和韧性显著提升，其中DN-WMGH-1的韧性达1.45 MJ/m³（提升36倍），杨氏模量随微凝胶尺寸减小从0.06 MPa增至0.24 MPa；循环拉伸测试中，所有DN-WMGH在100%应变下经100次循环后形状和强度完全恢复，压缩测试显示其可承受85%应变并快速回弹；SEM图像表明微凝胶均匀分布于PAM基质中形成致密双网络结构，能量耗散机制归因于微凝胶网络的 sacrificial bonds 断裂与PAM网络的变形协同作用，实现力学性能的宽范围调控与高耐久性。

图5 DN-WMGH 水凝胶的力学机制与实际负载能力

图5主要阐述了DN-WMGH水凝胶的力学机制与实际应用能力：通过示意图揭示其拉伸/压缩时乳清蛋白微凝胶网络作为牺牲结构断裂、PAM网络协同变形的能量耗散机制；3D打印的DN-WMGH结构（如65%填充率的条带）可重复提起500g重物而无损伤，低填充率（25%）网格也能承受50g负载；高纵横比空心圆柱压缩至80%应变后可完全恢复，压缩循环中滞后环极小，且三尖瓣模型在外力下能正常开启，验证了其优异的负载能力、弹性与功能模拟性能。

图6 基于 WMGH 的 “微凝胶中微凝胶” 嵌入式 3D 打印技术

图6主要介绍了基于WMGH的“微凝胶中微凝胶”嵌入式3D打印技术：通过离心制备WMGH支撑浴，其流变性能可调，可兼容藻酸盐、明胶等多种墨水，在22G喷嘴打印中实现直径接近 nozzle 的高精度丝材；支撑浴可通过pH调节或PBS洗涤移除，且微凝胶经洗涤离心后可重复利用；利用该技术成功打印鼻软骨和三尖瓣等复杂结构，其中三尖瓣模型在外力下可正常开启，展现了高形状保真度与功能模拟能力，解决了传统支撑浴不可回收及残留化学物质的问题。

图7 DN-WMGH 水凝胶的体外细胞相容性

图7主要评估了DN-WMGH水凝胶的体外细胞相容性：通过直接接触法和细胞封装实验，Alamar Blue检测显示与DN-WMGH共培养的人真皮成纤维细胞代谢活性随时间显著提升，与对照组无显著差异；Live/Dead染色表明，无论是直接接触还是封装在水凝胶中，细胞存活率均超过96%，且细胞形态正常、增殖良好，证实DN-WMGH具有低细胞毒性和良好的生物相容性，为其在生物医学领域如组织工程和药物输送系统中的应用提供了安全性依据。

结论：在这项工作中作者团队开功开发了由尺寸可控（1、6、20 μm）的乳清蛋白微凝胶组成的颗粒水凝胶（WMGH），通过调节打印速度和压力，WMGH墨水可像连续液体墨水一样拉伸，利用25G喷嘴实现了200 μm的高分辨率3D打印，墨水扩散率约5%，并能高精度打印人耳、主动脉瓣等复杂结构。将WMGH与聚丙烯酰胺第二渗透网络结合形成的双网络水凝胶（DN-WMGH），其韧性较纯PAM水凝胶提高36倍，达1.45 MJ/m³，机械强度可在6–300 kPa范围内调节，且在100%应变下经100次拉伸循环后能完全恢复。借助创新的“微凝胶中微凝胶”嵌入式3D打印技术，DN-WMGH可自由成型复杂的鼻侧软骨结构，兼具高形状保真度和优异机械性能。这种可拉伸、机械性能强且耐用的DN-WMGH水凝胶，结合天然生物聚合物微凝胶的生物相容性和高分辨率3D打印能力，在手术训练、伤口管理、可穿戴和植入设备以及药物输送系统等需要类似组织机械性能的领域具有广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202402103