《Addit. Manuf.》苏州大学张克勤/张骏：超软 SerMA 水凝胶助力器官修复！

当前数字光处理（DLP）打印超软水凝胶面临显著挑战：这类材料力学性能薄弱，且缺乏可靠的精度评估体系；同时，丝绸脱胶副产物丝胶（SS）虽具生物相容性、抗氧化等优势，但因力学性能弱于明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）等蛋白材料，且难从碱性热脱胶水提取，此前在DLP打印中应用有限，而现有DLP打印常用树脂或聚合物材料又存在细胞毒性大、力学性能与生物组织不匹配的问题，制约了其生物医学应用。

针对这一痛点，苏州大学纺织与服装工程学院国家现代丝绸工程实验室张克勤教授、张骏副教授团队，从碱性热脱胶水提取SS，通过缩水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修饰制备出甲基丙烯酸化丝胶（SerMA），在保留SS生物相容性的同时提升可固化性；创新将“高度梯度筛选”法应用于雅各布工作曲线，解决光散射与自聚焦效应以精准确定固化深度；提出“切圆柱模型”量化动态光源间距下的局部打印误差，实现300微米通道间隙、400微米孔洞结构的高精度打印，并优化墨水配方验证其优异细胞相容性（L929细胞168小时存活率超95%）。

相关工作以“Breaking barriers in soft material printing: High-fidelity DLP fabrication of silk sericin via height-adjusted curing and local error optimization”为题发表在《Additive Manufacturing》上。

主要内容

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、氢核磁共振（1H NMR）、SDS-PAGE电泳等方法，研究了原始丝胶（SS）、甲基丙烯酸酐（MA）修饰的SerMA（SerMA(MA)）和缩水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修饰的SerMA（SerMA(GMA)）的化学结构、晶体结构、二级结构及溶解性，结果表明MA修饰易引发副反应导致SS沉淀，GMA修饰通过氧环开环反应实现双基团接枝，无副反应且保留SS的随机卷曲结构（占比34.0%±1.48%），溶解度显著优于SerMA(MA)，更适合DLP打印。

图1. 丝胶与甲基丙烯酸化丝胶的制备与性质表征图

通过DLP打印预实验（打印1.5mm高、2mm直径微圆柱）、光流变仪测试（测储能模量G′、损耗模量G″）等方法，研究了不同浓度SerMA（20%-40%）、光引发剂LAP（0.2%-1%）组成的墨水的可打印性及光固化流变特性，结果表明20%SerMA墨水打印难度大，40%SerMA-0.6%LAP墨水凝胶速度慢，30%SerMA-0.8%LAP墨水打印高度达设计值的95.9%-108.8%，光固化后G′更高、相角下降更快（90s开始骤降），凝胶动力学和力学性能最优，确定为最佳墨水配方。

图2. 不同成分甲基丙烯酸化丝胶墨水的初始数据库与光流变性质图

通过DLP打印不同能量输入（50-400mJ/cm²）的固化圆柱、 stereo显微镜观察、测量圆柱不同直径处（D100%、D90%、D80%、DTop）固化深度等方法，研究了能量输入与SerMA墨水固化深度的关系，结果表明传统雅各布工作曲线因光散射和自聚焦效应存在固化高度不均（呈锥形），“高度梯度筛选”法能获取不同高度的工作曲线，各直径处特征深度Dp一致但临界固化能量Ec有差异，可精准指导不同层厚的打印能量设置。

图3. 雅各布工作曲线的高度梯度筛选示意图与实验结果图

通过设计“切圆柱模型”（两个6mm直径、1.4mm高的相切圆柱）、Keyence VHX-7000数码显微镜测量不同层厚（50μm、100μm）、光照强度（2-8mW/cm²）下的打印误差等方法，研究了SerMA墨水在动态光源间距下的局部打印误差，结果表明DTop和D80%易出现固化不足（误差81-875μm），D100%因过固化误差较大（130-380μm），D90%在50μm层厚、8mW/cm²下误差控制在100μm内（相当于打印机4个像素），整体打印精度最优。

图4. 甲基丙烯酸化丝胶墨水的打印误差评估系统图

通过万能材料试验机测压缩应力-应变曲线（计算压缩模量）、恒湿烘箱与PBS浸泡测溶胀率等方法，研究了DTop、D80%、D90%、D100%四种打印参数下SerMA水凝胶的力学性能与溶胀行为，结果表明高光照强度（8mW/cm²）下DTop和D80%水凝胶变形小、溶胀率高、压缩模量低，D100%因过固化变形明显，D90%水凝胶在不同光照强度下压缩模量变化小（力学稳定性好），溶胀率适中，兼顾打印精度与力学完整性。

图5. 打印甲基丙烯酸化丝胶水凝胶的力学性能测试图

通过DLP打印表面微流控通道（500μm、1000μm间隙）、树状模型、辐射状模型、拓扑模型（互联3D孔洞）等方法，研究了DTop、D90%、D100%参数对SerMA墨水打印复杂结构保真度的影响，结果表明DTop易固化不足导致通道堵塞，D100%过固化使分辨率下降（树状模型枝宽1mm），D90%能打印300μm通道间隙、400μm孔洞及5mm-800μm多尺度表面通道，拓扑模型实现互联孔洞，打印保真度最高。

图6. 甲基丙烯酸化丝胶墨水打印的多种模型制备图

通过DLP打印脑模型、脊髓模型（最小特征直径700μm）、10×10微针阵列（直径1mm、高1.4mm），结合CCK-8实验、活死染色（钙黄绿素-AM/碘化丙啶）、F-肌动蛋白染色等方法，研究了打印模型的结构精度及SerMA水凝胶的细胞相容性，结果表明打印模型结构精准，L929细胞在水凝胶表面168h存活率超95%（24h、72h、168h存活率分别为95.8%、98.8%、96.4%），活细胞占比高且细胞骨架舒展，支持细胞黏附与增殖。

图7. 多种打印模型展示及甲基丙烯酸化丝胶水凝胶的细胞毒性评估图

研究结论

本研究为超软、力学脆弱水凝胶的高精度数字光处理（DLP）打印提供了变革性策略，以丝胶（SS）为可持续生物墨水，通过缩水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）修饰制备出甲基丙烯酸化丝胶（SerMA），既保留丝胶原有的生物相容性与生物功能性，又实现精准光聚合。为解决固化深度评估难题，本研究将“高度梯度筛选”法应用于雅各布工作曲线，有效补偿实际打印中的光散射与自聚焦效应；同时提出“切圆柱模型”量化局部打印误差，实现300微米通道间隙与400微米孔洞结构的高精度打印，突破现有软水凝胶打印局限。力学表征显示，恒定曝光能量下，调整光照强度与曝光时间比可显著提升打印精度，且不破坏打印结构的力学完整性；细胞相容性评估证实，SerMA水凝胶细胞存活率超95%，能支持细胞黏附与扩散。本研究不仅将力学脆弱蛋白纳入DLP兼容材料库，还为软生物材料高保真打印建立通用框架，助力组织工程、生物传感与微流控应用。

https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104877