光交聯(lián)水凝膠：可打印性與生物活性的關(guān)聯(lián)探究與前沿展望一、引言1.1研究背景與意義水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水性高分子材料，能夠吸收大量水分并保持一定的形狀和穩(wěn)定性。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性能，水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，被廣泛應(yīng)用于藥物遞送、組織工程、傷口愈合等多個方面。在眾多水凝膠制備技術(shù)中，光交聯(lián)技術(shù)憑借其非物理接觸以及時空精確可控等優(yōu)勢，成為當前的研究熱點之一。光交聯(lián)水凝膠的制備過程通常是在光照條件下，通過光引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，引發(fā)含有不飽和雙鍵的單體或聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種制備方式具有諸多優(yōu)點，如交聯(lián)速度快、反應(yīng)條件溫和、能夠?qū)崿F(xiàn)對水凝膠結(jié)構(gòu)和性能的精確控制等。在藥物遞送領(lǐng)域，光交聯(lián)水凝膠可以作為藥物載體，通過控制光照條件實現(xiàn)藥物的精準釋放。浙江大學(xué)賀永教授課題組以光引發(fā)自由基聚合的生物水凝膠為例，建立了水凝膠的形成理論，使準確量化水凝膠的形成過程成為可能，為優(yōu)化藥物遞送系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。在組織工程中，光交聯(lián)水凝膠能夠為細胞的生長和增殖提供良好的微環(huán)境，模擬細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，促進組織的修復(fù)和再生。上海交通大學(xué)林秋寧/周廣東團隊設(shè)計的新型雜化光交聯(lián)水凝膠系統(tǒng)，通過將光致亞胺交聯(lián)策略和傳統(tǒng)的光引發(fā)自由基聚合交聯(lián)策略結(jié)合，實現(xiàn)一次光照秒級構(gòu)建高強、高粘的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，成功應(yīng)用于大動物（豬）負重區(qū)關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，光交聯(lián)水凝膠在3D生物打印中的應(yīng)用也日益受到關(guān)注。3D生物打印技術(shù)能夠?qū)⑸锵嗳菪圆牧?、細胞或生物活性因子進行精準組裝，構(gòu)建出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的組織工程支架，為解決臨床對活體器官日益增長的需求以及解決活體器官移植的局限性提供了新的途徑。而光交聯(lián)水凝膠作為3D生物打印的理想墨水材料，其可打印性對于實現(xiàn)高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印至關(guān)重要?？纱蛴⌒粤己玫墓饨宦?lián)水凝膠應(yīng)具備合適的流變學(xué)性能，在打印過程中能夠保持形狀的穩(wěn)定性，同時在光照交聯(lián)后能夠迅速固化，形成具有一定機械強度的三維結(jié)構(gòu)。然而，目前光交聯(lián)水凝膠打印體系在生物兼容性和生物活性方面仍受到一定限制，如何提高其可打印性和生物活性，是當前亟待解決的問題。生物活性是光交聯(lián)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的另一個關(guān)鍵因素。具有良好生物活性的光交聯(lián)水凝膠能夠促進細胞的黏附、增殖和分化，與周圍組織形成良好的整合，減少免疫反應(yīng)，從而提高治療效果。例如，武漢紡織大學(xué)張強、閆書芹、黃穎等研究人員開發(fā)的光交聯(lián)絲素蛋白水凝膠，包裹的脂肪干細胞具有刺激細胞增殖和干細胞干性的能力，證明了該水凝膠具有良好的生物活性。但部分光交聯(lián)水凝膠由于材料本身的特性或制備過程中的因素，可能存在細胞相容性問題，影響其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。綜上所述，對光交聯(lián)水凝膠可打印性與生物活性的研究具有重要的理論和實際意義。從理論層面來看，深入探究光交聯(lián)水凝膠的可打印性和生物活性，有助于揭示其形成機制、交聯(lián)行為以及與細胞和組織的相互作用規(guī)律，豐富和完善水凝膠材料的基礎(chǔ)理論。在實際應(yīng)用方面，提高光交聯(lián)水凝膠的可打印性，能夠拓展3D生物打印技術(shù)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)更加復(fù)雜和精確的組織構(gòu)建；增強其生物活性，則可以提高水凝膠與生物系統(tǒng)的兼容性，促進細胞的功能發(fā)揮，為疾病的治療和組織修復(fù)提供更有效的手段，推動光交聯(lián)水凝膠從實驗室研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會經(jīng)濟效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在光交聯(lián)水凝膠可打印性的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要成果。浙江大學(xué)賀永教授課題組在光引發(fā)自由基聚合的生物水凝膠形成理論及可打印性研究中取得突破，他們建立了水凝膠的形成理論，區(qū)分了三種典型的交聯(lián)反應(yīng)，提出有效雙鍵轉(zhuǎn)換（EDBC）的概念，定義了水凝膠的形成指數(shù)，并給出了相關(guān)測量和計算方法。通過控制曝光強度，利用慢速交聯(lián)效應(yīng)優(yōu)化3D打印過程，顯著提高了打印質(zhì)量和效率。該研究為光交聯(lián)水凝膠可打印性的深入理解和應(yīng)用提供了重要理論基礎(chǔ)，為后續(xù)研究如何進一步提高水凝膠的可打印性以及拓展其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的應(yīng)用提供了新思路。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院賴毓霄教授科研團隊對可見光引發(fā)的3D生物打印技術(shù)及其生物墨水材料進行了研究，綜述了可見光固化3D生物打印方法及可見光引發(fā)的光聚合水凝膠的研究現(xiàn)狀，探討了引發(fā)劑的類型及其活化機理，研究了從自由基聚合到硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)的直接和間接光誘導(dǎo)反應(yīng)。這為光交聯(lián)水凝膠在3D生物打印領(lǐng)域的應(yīng)用提供了系統(tǒng)的理論支持，有助于推動開發(fā)更適合3D打印的光交聯(lián)水凝膠體系，提高其在實際應(yīng)用中的可行性和效果。在光交聯(lián)水凝膠生物活性的研究領(lǐng)域，也有眾多研究成果涌現(xiàn)。上海交通大學(xué)林秋寧/周廣東團隊設(shè)計的新型雜化光交聯(lián)水凝膠系統(tǒng)，將光致亞胺交聯(lián)策略和傳統(tǒng)的光引發(fā)自由基聚合交聯(lián)策略結(jié)合，實現(xiàn)一次光照秒級構(gòu)建高強、高粘的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)異的生物相容性與生物降解性，較低的免疫炎癥反應(yīng)，能夠作為支架材料包裹軟骨細胞，成功應(yīng)用于大動物（豬）負重區(qū)關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)。溫州醫(yī)科大學(xué)李花瓊博士團隊合成并表征了可光聚合的透明質(zhì)酸（HA）和同種異體脫細胞軟骨基質(zhì)（DCM）混合水凝膠，研究了其對接觸細胞（體外）的影響，并在大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型中評估了水凝膠的體內(nèi)性能，結(jié)果表明該水凝膠具有潛在的軟骨修復(fù)效用。這些研究為光交聯(lián)水凝膠在組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了有力的實驗依據(jù)，推動了光交聯(lián)水凝膠在生物活性方面的應(yīng)用研究向臨床轉(zhuǎn)化邁進。盡管國內(nèi)外在光交聯(lián)水凝膠可打印性與生物活性研究方面取得了一定進展，但仍存在一些不足與空白。在可打印性方面，雖然對水凝膠的形成理論和交聯(lián)行為有了更深入的理解，但如何進一步優(yōu)化水凝膠的流變學(xué)性能，使其在打印過程中既能保持良好的流動性以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確打印，又能在交聯(lián)后迅速獲得足夠的機械強度以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，仍然是一個亟待解決的問題。目前對于不同打印技術(shù)（如噴墨打印、擠出式打印、立體光刻印刷和數(shù)字光固化等）與光交聯(lián)水凝膠的適配性研究還不夠系統(tǒng)全面，缺乏針對特定打印技術(shù)的水凝膠墨水的定制化設(shè)計和優(yōu)化策略。在生物活性方面，部分光交聯(lián)水凝膠的細胞相容性問題尚未得到徹底解決，其與細胞和周圍組織的相互作用機制仍有待深入探究。雖然已有研究表明一些光交聯(lián)水凝膠能夠促進細胞的增殖和分化，但對于如何精準調(diào)控水凝膠的生物活性，使其能夠根據(jù)不同的組織修復(fù)需求，實現(xiàn)對細胞行為的特異性引導(dǎo)，還缺乏有效的手段和方法。此外，光交聯(lián)水凝膠在體內(nèi)長期的生物活性和安全性評估也相對較少，這限制了其在臨床治療中的廣泛應(yīng)用。在未來的研究中，需要進一步加強對這些方面的探索，以推動光交聯(lián)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的更深入應(yīng)用和發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容光交聯(lián)水凝膠的制備與優(yōu)化：選擇合適的天然高分子材料（如明膠、透明質(zhì)酸等）和合成高分子材料（如聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA等），通過化學(xué)修飾引入可光交聯(lián)的雙鍵基團，制備光交聯(lián)水凝膠。系統(tǒng)研究不同材料配方（包括材料種類、濃度、比例等）、光引發(fā)劑種類及濃度、光照條件（光照強度、曝光時間、波長等）對水凝膠交聯(lián)程度、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能（如溶脹性能、機械性能等）的影響規(guī)律，通過優(yōu)化制備條件，獲得具有良好性能的光交聯(lián)水凝膠。光交聯(lián)水凝膠可打印性研究：采用流變學(xué)測試方法，研究光交聯(lián)水凝膠在不同剪切速率下的流變行為，分析其粘度、彈性模量和粘性模量等流變參數(shù)與可打印性的關(guān)系，建立流變學(xué)模型，預(yù)測水凝膠在3D打印過程中的流動和變形特性。利用擠出式3D打印技術(shù)，將光交聯(lián)水凝膠作為打印墨水，打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型（如網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、仿生血管結(jié)構(gòu)等），通過觀察打印過程中墨水的擠出穩(wěn)定性、成型精度以及打印后模型的形狀保持性，評估水凝膠的可打印性。研究打印參數(shù)（如打印速度、擠出壓力、層厚等）對水凝膠可打印性的影響，優(yōu)化打印參數(shù)，提高打印質(zhì)量和效率。光交聯(lián)水凝膠生物活性研究：選用常見的細胞系（如成纖維細胞、軟骨細胞等），將細胞與光交聯(lián)水凝膠共培養(yǎng)，通過細胞活性檢測（如MTT法、CCK-8法等）、細胞增殖檢測（如BrdU摻入法）、細胞形態(tài)觀察（如掃描電子顯微鏡觀察、熒光顯微鏡觀察）等方法，研究水凝膠對細胞黏附、增殖和分化的影響，評估水凝膠的生物活性。在水凝膠中引入具有生物活性的分子（如生長因子、細胞黏附肽等），研究其對細胞行為的調(diào)控作用，探討生物活性分子與水凝膠協(xié)同促進細胞功能的機制。構(gòu)建動物模型（如小鼠皮下植入模型、大鼠軟骨缺損修復(fù)模型等），將光交聯(lián)水凝膠植入動物體內(nèi)，通過組織學(xué)分析（如蘇木精-伊紅染色、免疫組織化學(xué)染色等）、影像學(xué)分析（如Micro-CT掃描、MRI成像等），觀察水凝膠在體內(nèi)的生物活性、降解情況以及與周圍組織的整合情況，評估水凝膠在體內(nèi)的生物安全性和有效性?？纱蛴⌒耘c生物活性的關(guān)聯(lián)研究：分析光交聯(lián)水凝膠的可打印性參數(shù)（流變學(xué)性能、打印精度等）與生物活性指標（細胞黏附、增殖、分化等）之間的內(nèi)在聯(lián)系，探討如何通過調(diào)控可打印性來改善生物活性，或者如何在保證生物活性的前提下提高可打印性，為開發(fā)同時具有良好可打印性和生物活性的光交聯(lián)水凝膠提供理論依據(jù)。研究不同制備條件和打印參數(shù)對水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及微觀結(jié)構(gòu)與可打印性和生物活性的關(guān)系，從微觀層面揭示可打印性與生物活性的關(guān)聯(lián)機制，為優(yōu)化水凝膠性能提供微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。1.3.2研究方法實驗研究：通過溶液混合、化學(xué)修飾等方法制備光交聯(lián)水凝膠，利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、核磁共振波譜（NMR）等手段對水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行表征；使用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）觀察水凝膠的微觀形貌；采用流變儀測試水凝膠的流變性能；通過拉伸試驗機、壓縮試驗機等測量水凝膠的機械性能；利用溶脹實驗測定水凝膠的溶脹率；運用細胞實驗和動物實驗評估水凝膠的生物活性和生物安全性。理論分析：基于高分子物理化學(xué)理論，分析光交聯(lián)水凝膠的交聯(lián)反應(yīng)機理、分子動力學(xué)行為以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程，建立數(shù)學(xué)模型，對水凝膠的形成過程、流變性能和力學(xué)性能進行理論預(yù)測和模擬分析。運用材料科學(xué)中的微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系理論，探討水凝膠微觀結(jié)構(gòu)（如孔徑大小、孔隙率、交聯(lián)密度等）對其可打印性和生物活性的影響機制，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。對比研究：設(shè)置不同的實驗組，對比不同材料配方、制備條件、打印參數(shù)以及生物活性分子添加方式對光交聯(lián)水凝膠可打印性和生物活性的影響，明確各因素的作用規(guī)律和主次關(guān)系。將本研究制備的光交聯(lián)水凝膠與已報道的具有類似功能的水凝膠進行對比，評估本研究水凝膠在可打印性和生物活性方面的優(yōu)勢與不足，為進一步改進和優(yōu)化提供參考。二、光交聯(lián)水凝膠基礎(chǔ)理論2.1水凝膠的結(jié)構(gòu)與特性水凝膠是一類極為特殊的材料，它由親水性聚合物鏈彼此交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，憑借這種獨特的結(jié)構(gòu)，水凝膠能夠大量吸收水分并溶脹，卻不會溶解于水。從微觀角度來看，水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)就像一個錯綜復(fù)雜的分子迷宮，聚合物鏈相互交織，形成無數(shù)大小不一的孔隙，這些孔隙如同微小的蓄水池，賦予水凝膠出色的吸水能力，其含水量可達自身重量的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。從宏觀角度觀察，水凝膠呈現(xiàn)出柔軟、富有彈性的外觀，與生物組織的質(zhì)地極為相似，這種相似性為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。高含水量是水凝膠最為顯著的特性之一。這一特性使其在保持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，能夠儲存大量水分。水凝膠的高含水量使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，例如在傷口敷料應(yīng)用中，水凝膠能夠為傷口提供濕潤的環(huán)境，促進傷口愈合，減少疤痕形成。這是因為濕潤的環(huán)境有利于細胞的遷移和增殖，加速組織修復(fù)過程，同時還能防止傷口干燥結(jié)痂，減少疼痛和感染的風(fēng)險。在組織工程中，高含水量的水凝膠可以模擬細胞外基質(zhì)的水環(huán)境，為細胞的生長和代謝提供適宜的條件，促進細胞的黏附、增殖和分化，有助于構(gòu)建功能性組織和器官。溶脹性是水凝膠的另一個重要特性。當水凝膠與水接觸時，水分子會迅速擴散進入其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使水凝膠發(fā)生溶脹。溶脹過程是一個動態(tài)平衡的過程，隨著水分子的進入，水凝膠的體積逐漸增大，同時內(nèi)部的聚合物鏈也會受到拉伸，產(chǎn)生彈性回縮力。當彈性回縮力與水分子的滲透力達到平衡時，溶脹過程停止，水凝膠達到溶脹平衡狀態(tài)。溶脹性使水凝膠能夠根據(jù)周圍環(huán)境的濕度變化自動調(diào)節(jié)自身的含水量，維持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。這種特性在藥物遞送領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，藥物可以被包裹在水凝膠內(nèi)部，隨著水凝膠的溶脹，藥物逐漸釋放出來，實現(xiàn)藥物的緩慢、持續(xù)釋放，提高藥物的療效和生物利用度。不同類型的水凝膠在不同的溶液環(huán)境中，其溶脹行為會有所不同，這為水凝膠的應(yīng)用提供了更多的調(diào)控空間。例如，一些智能水凝膠能夠?qū)囟?、pH值等外界刺激產(chǎn)生響應(yīng)，在特定條件下發(fā)生快速溶脹或收縮，從而實現(xiàn)對藥物釋放速度的精確控制。生物相容性是水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵特性。水凝膠與生物體組織和細胞具有良好的相互作用，能夠減少免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)的發(fā)生，為細胞的生長和存活提供適宜的微環(huán)境。這是由于水凝膠的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)與生物體內(nèi)的天然物質(zhì)具有一定的相似性，使得生物體能夠較好地接受和適應(yīng)水凝膠材料。在組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中，生物相容性良好的水凝膠可以作為支架材料，引導(dǎo)細胞的生長和組織的修復(fù)，促進受損組織的再生和功能恢復(fù)。例如，在軟骨修復(fù)中，將含有軟骨細胞的水凝膠支架植入受損部位，水凝膠能夠為軟骨細胞提供支撐和保護，促進軟骨細胞的增殖和分化，合成新的軟骨組織，從而實現(xiàn)軟骨的修復(fù)和再生。在神經(jīng)組織工程中，水凝膠可以作為神經(jīng)細胞的載體，促進神經(jīng)細胞的生長和軸突的延伸，有助于修復(fù)受損的神經(jīng)組織，恢復(fù)神經(jīng)功能。2.2光交聯(lián)原理與機制光交聯(lián)是指在光照條件下，通過光引發(fā)劑產(chǎn)生的活性物種（如自由基、陽離子等）引發(fā)聚合物分子鏈之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程。光交聯(lián)過程通常涉及以下幾個關(guān)鍵步驟：首先是光引發(fā)劑的激發(fā)，當光引發(fā)劑吸收特定波長的光子后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。光引發(fā)劑的激發(fā)態(tài)具有較高的能量，不穩(wěn)定，會通過不同的途徑發(fā)生分解或反應(yīng)，產(chǎn)生具有高度活性的自由基或陽離子等活性物種。在自由基聚合交聯(lián)機制中，產(chǎn)生的自由基會引發(fā)含有不飽和雙鍵的單體或聚合物分子鏈上的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，形成新的自由基。這些新生成的自由基會繼續(xù)與周圍的單體或聚合物分子鏈反應(yīng)，使得分子鏈不斷增長和交聯(lián)，逐漸形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自由基聚合是光交聯(lián)水凝膠中最為常見的交聯(lián)機制之一。以常見的甲基丙烯?；髂z（GelMA）水凝膠為例，在光引發(fā)劑（如2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮，即Irgacure2959）存在的情況下，當受到特定波長的紫外光或可見光照射時，光引發(fā)劑吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的光引發(fā)劑發(fā)生分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生自由基。這些自由基迅速與GelMA分子鏈上的甲基丙烯?；鶊F的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，使雙鍵打開，形成新的自由基活性中心。新的自由基活性中心又會繼續(xù)與其他GelMA分子鏈上的甲基丙烯酰基團反應(yīng)，通過不斷的鏈式增長過程，使GelMA分子鏈之間相互交聯(lián)，最終形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠。在這個過程中，自由基的產(chǎn)生速率、活性以及與單體或聚合物分子鏈的反應(yīng)活性等因素，都會對交聯(lián)反應(yīng)的速率和水凝膠的最終性能產(chǎn)生重要影響。硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)作為另一種重要的交聯(lián)機制，近年來在光交聯(lián)水凝膠的制備中也得到了廣泛應(yīng)用。這種反應(yīng)具有高效、快速、選擇性高、反應(yīng)條件溫和以及對水和氧氣不敏感等優(yōu)點，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)的機理基于自由基反應(yīng)歷程。在光引發(fā)劑的作用下，光激發(fā)產(chǎn)生自由基，自由基奪取硫醇（R-SH）分子中的氫原子，生成硫自由基（R-S?）。硫自由基具有很高的反應(yīng)活性，能夠迅速與烯烴分子中的碳-碳雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，形成碳-硫鍵，并生成新的碳自由基。新生成的碳自由基又可以從另一個硫醇分子中奪取氫原子，使碳自由基轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳-氫結(jié)構(gòu)，同時再生出硫自由基，從而形成一個自由基循環(huán)反應(yīng)，不斷促進硫醇與烯烴之間的交聯(lián)反應(yīng)，最終形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠。美國化學(xué)會志（JournaloftheAmericanChemicalSociety）上發(fā)表的一項研究，利用硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)制備了具有良好生物相容性和生物活性的光交聯(lián)水凝膠。研究人員將含有硫醇基團的生物分子與帶有烯烴基團的聚合物在光引發(fā)劑存在下進行反應(yīng)，通過精確控制反應(yīng)條件，成功制備出了具有特定結(jié)構(gòu)和性能的水凝膠。實驗結(jié)果表明，該水凝膠能夠有效地負載和釋放藥物，并且對細胞的生長和增殖沒有明顯的抑制作用，展現(xiàn)出在藥物遞送和組織工程等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。2.3常見光交聯(lián)水凝膠材料在光交聯(lián)水凝膠的研究與應(yīng)用中，多種材料因其獨特的性能和特點而被廣泛關(guān)注。甲基丙烯?；髂z（GelMA）是一種備受矚目的光交聯(lián)水凝膠材料。它由明膠與甲基丙烯酸酐反應(yīng)制備而成，巧妙地將明膠良好的生物相容性和生物降解性與光交聯(lián)特性相結(jié)合。在組織工程領(lǐng)域，GelMA水凝膠展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。有研究表明，GelMA水凝膠可作為軟骨組織工程的支架材料，其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠為軟骨細胞提供適宜的生長環(huán)境，促進軟骨細胞的黏附、增殖和分化，有效修復(fù)受損的軟骨組織。在藥物遞送方面，GelMA水凝膠能夠負載藥物，通過控制光交聯(lián)程度和水凝膠的降解速率，實現(xiàn)藥物的緩慢、持續(xù)釋放，提高藥物的治療效果。然而，GelMA水凝膠也存在一些不足之處。其機械性能相對較弱，在承受較大外力時容易發(fā)生變形或破裂，這限制了其在一些對機械強度要求較高的應(yīng)用場景中的使用，如承重骨組織的修復(fù)。在交聯(lián)過程中，紫外光照射可能會對細胞產(chǎn)生一定的損傷，影響細胞的活性和功能，這在細胞封裝和組織構(gòu)建等應(yīng)用中需要特別關(guān)注。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）也是一種常用的光交聯(lián)水凝膠材料。PEGDA具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性和低免疫原性，能夠在溫和的條件下快速光交聯(lián)形成水凝膠。由于其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，PEGDA水凝膠的性能可以通過調(diào)整PEG的分子量、丙烯酸酯基團的含量以及交聯(lián)程度等參數(shù)進行精確調(diào)控。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PEGDA水凝膠被廣泛應(yīng)用于細胞培養(yǎng)、組織工程和藥物遞送等方面。在細胞培養(yǎng)中，PEGDA水凝膠可以為細胞提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，支持細胞的長期培養(yǎng)和功能維持。在藥物遞送系統(tǒng)中，PEGDA水凝膠能夠有效地負載和釋放藥物，通過改變水凝膠的結(jié)構(gòu)和組成，可以實現(xiàn)對藥物釋放速率和釋放模式的精準控制。但是，PEGDA水凝膠也并非完美無缺。其缺乏與細胞表面受體的特異性相互作用，導(dǎo)致細胞在PEGDA水凝膠上的黏附和增殖能力相對較弱，這在一定程度上限制了其在組織工程中的應(yīng)用。PEGDA水凝膠的降解速率相對較慢，在某些需要快速降解的應(yīng)用場景中可能無法滿足需求，如短期的傷口敷料或臨時的組織支撐材料。透明質(zhì)酸（HA）作為一種天然的多糖類物質(zhì)，也常被用于制備光交聯(lián)水凝膠。HA具有出色的生物相容性、保濕性和生物活性，在生物體內(nèi)廣泛存在，參與多種生理過程。通過對HA進行化學(xué)修飾，引入可光交聯(lián)的基團，能夠制備出具有特定性能的光交聯(lián)HA水凝膠。在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)中，光交聯(lián)HA水凝膠可以模擬軟骨細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，為軟骨細胞提供良好的生存微環(huán)境，促進軟骨組織的再生和修復(fù)。在皮膚修復(fù)領(lǐng)域，HA水凝膠能夠保持傷口濕潤，促進細胞遷移和增殖，加速傷口愈合，減少疤痕形成。不過，光交聯(lián)HA水凝膠也存在一些問題。其力學(xué)性能較差，難以承受較大的外力，在一些需要承受一定壓力的組織工程應(yīng)用中受到限制。HA水凝膠的交聯(lián)程度和穩(wěn)定性相對較難控制，可能會影響其在實際應(yīng)用中的性能一致性和可靠性。三、光交聯(lián)水凝膠可打印性研究3.1可打印性的評價指標可打印性是衡量光交聯(lián)水凝膠能否成功應(yīng)用于3D打印的關(guān)鍵因素，其評價指標涵蓋多個重要方面，這些指標相互關(guān)聯(lián)，共同決定了水凝膠在打印過程中的表現(xiàn)和最終打印產(chǎn)品的質(zhì)量。形狀保真度是可打印性的重要評價指標之一，它主要反映了打印后水凝膠結(jié)構(gòu)與預(yù)設(shè)模型的相似程度。在3D打印過程中，理想的光交聯(lián)水凝膠應(yīng)能夠精確地復(fù)制設(shè)計模型的形狀和尺寸，盡可能減少偏差。在打印復(fù)雜的組織工程支架時，支架的形狀對于細胞的生長和組織的構(gòu)建起著關(guān)鍵作用。如果水凝膠的形狀保真度差，打印出的支架可能無法為細胞提供合適的生長空間和力學(xué)支撐，從而影響組織的修復(fù)和再生效果。形狀保真度受到多種因素的影響，其中水凝膠的流變學(xué)性能是一個關(guān)鍵因素。具有合適流變學(xué)性能的水凝膠在擠出或噴射過程中，能夠保持穩(wěn)定的流動狀態(tài)，不易發(fā)生變形或斷裂，從而確保打印結(jié)構(gòu)的準確性。打印參數(shù)如打印速度、擠出壓力等也會對形狀保真度產(chǎn)生顯著影響。過高的打印速度可能導(dǎo)致水凝膠無法及時填充到預(yù)定位置，而過低的擠出壓力則可能使水凝膠無法順利擠出，這些都會降低形狀保真度。分辨率是另一個關(guān)鍵的可打印性評價指標，它體現(xiàn)了打印水凝膠能夠分辨的最小特征尺寸。高分辨率對于構(gòu)建具有精細結(jié)構(gòu)的組織工程支架和微流控芯片等應(yīng)用至關(guān)重要。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，需要打印出具有微米甚至納米級精度的結(jié)構(gòu)，以模擬生物組織的微觀結(jié)構(gòu)和功能。在打印血管網(wǎng)絡(luò)模型時，高分辨率能夠確保血管的管徑、分支角度等細節(jié)得到精確再現(xiàn)，從而提高模型的真實性和功能性。分辨率主要取決于打印技術(shù)和水凝膠的特性。不同的3D打印技術(shù)具有不同的分辨率極限，如噴墨打印技術(shù)的分辨率通常在幾十微米到幾百微米之間，而雙光子聚合技術(shù)則可以實現(xiàn)亞微米級的分辨率。水凝膠的粘度、固化速度等特性也會影響分辨率。低粘度的水凝膠在打印過程中更容易擴散，導(dǎo)致分辨率降低；而固化速度過快或過慢也會影響打印結(jié)構(gòu)的精度。擠出穩(wěn)定性是衡量光交聯(lián)水凝膠在擠出式3D打印過程中能否穩(wěn)定擠出的重要指標。穩(wěn)定的擠出是實現(xiàn)連續(xù)、均勻打印的基礎(chǔ)。在擠出過程中，水凝膠應(yīng)能夠以恒定的速率從打印噴頭中擠出，并且在擠出后能夠保持形狀的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)彎曲、斷裂或堵塞噴頭等現(xiàn)象。如果水凝膠的擠出穩(wěn)定性差，會導(dǎo)致打印過程中斷，影響打印效率和質(zhì)量，甚至可能損壞打印設(shè)備。擠出穩(wěn)定性與水凝膠的流變學(xué)性能密切相關(guān)，具有良好剪切稀化特性的水凝膠在受到剪切力時，粘度會迅速降低，從而便于擠出；而在剪切力消失后，粘度又能迅速恢復(fù)，保持擠出絲的形狀穩(wěn)定。水凝膠的屈服應(yīng)力也是影響擠出穩(wěn)定性的重要因素，適當?shù)那?yīng)力能夠使水凝膠在噴頭內(nèi)保持一定的形狀，避免在重力作用下自行流出，同時又能在施加足夠的擠出壓力時順利擠出。除了上述主要指標外，層間結(jié)合強度也是可打印性評價中不可忽視的一個方面。在分層打印過程中，相鄰兩層水凝膠之間需要形成良好的結(jié)合，以確保整個打印結(jié)構(gòu)的完整性和力學(xué)性能。如果層間結(jié)合強度不足，打印結(jié)構(gòu)在受到外力作用時容易發(fā)生分層現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。層間結(jié)合強度受到水凝膠的化學(xué)組成、交聯(lián)方式以及打印過程中的溫度、壓力等因素的影響。通過優(yōu)化水凝膠的配方，選擇合適的交聯(lián)劑和交聯(lián)方式，以及調(diào)整打印參數(shù)，可以提高層間結(jié)合強度。在水凝膠中添加一些具有增粘作用的添加劑，或者在打印過程中對每層水凝膠進行適當?shù)念A(yù)處理，如加熱或加壓，都有助于增強層間結(jié)合力。3.2影響可打印性的因素3.2.1材料自身性質(zhì)材料自身性質(zhì)對光交聯(lián)水凝膠的可打印性有著深遠影響，其中聚合物濃度是一個關(guān)鍵因素。當聚合物濃度較低時，水凝膠體系中分子鏈之間的相互作用較弱，導(dǎo)致水凝膠的粘度較低。在3D打印過程中，低粘度的水凝膠流動性過大，難以保持擠出絲的形狀穩(wěn)定性，容易發(fā)生變形和塌陷，從而嚴重影響打印結(jié)構(gòu)的精度和形狀保真度。當聚合物濃度過高時，分子鏈之間的纏結(jié)加劇，水凝膠的粘度大幅增加，流動性變差。這會使得水凝膠在打印噴頭內(nèi)的流動阻力增大，難以順利擠出，甚至可能導(dǎo)致噴頭堵塞，無法實現(xiàn)正常打印。研究表明，在制備甲基丙烯?；髂z（GelMA）水凝膠時，當GelMA濃度低于5%（w/v）時，打印出的結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)變形和坍塌現(xiàn)象；而當濃度高于20%（w/v）時，打印過程中會出現(xiàn)嚴重的擠出困難，無法形成連續(xù)的打印線條。因此，選擇合適的聚合物濃度對于保證光交聯(lián)水凝膠的可打印性至關(guān)重要，需要根據(jù)具體的打印需求和材料特性進行優(yōu)化。分子量也是影響光交聯(lián)水凝膠可打印性的重要因素之一。一般來說，分子量較大的聚合物分子鏈較長，分子鏈之間的纏結(jié)程度更高，這會導(dǎo)致水凝膠的粘度增加，流動性降低。在打印過程中，高粘度的水凝膠需要更大的擠出壓力才能從噴頭中擠出，這對打印設(shè)備的性能提出了更高要求。而且，由于其流動性差，在填充復(fù)雜結(jié)構(gòu)時可能無法完全填充到微小的間隙中，導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空洞或不完整的情況，影響打印質(zhì)量。相反，分子量較小的聚合物分子鏈較短，分子鏈之間的相互作用較弱，水凝膠的粘度相對較低，流動性較好。但如果分子量過小，交聯(lián)后形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能不夠穩(wěn)定，機械強度較低，無法支撐打印結(jié)構(gòu)的重量，在打印過程中容易發(fā)生變形或斷裂。在聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠體系中，隨著PEGDA分子量的增加，水凝膠的粘度逐漸增大，打印時所需的擠出壓力也隨之增大。當PEGDA分子量為400時，水凝膠的粘度較低，打印過程較為順暢，但打印結(jié)構(gòu)的機械強度較差；當分子量增加到2000時，水凝膠的粘度大幅增加，打印難度增大，且打印結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)缺陷。功能化程度同樣在光交聯(lián)水凝膠可打印性中扮演著重要角色。較高的功能化程度意味著聚合物分子鏈上引入了更多的可光交聯(lián)基團，如雙鍵等。這些基團在光照下能夠更快速、更充分地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而使水凝膠在較短時間內(nèi)固化?？焖俟袒乃z在打印過程中能夠迅速固定形狀，有利于提高打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度，對于構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)具有重要意義。但如果功能化程度過高，交聯(lián)反應(yīng)可能過于劇烈，導(dǎo)致水凝膠在噴頭內(nèi)就發(fā)生固化，造成噴頭堵塞，影響打印的連續(xù)性。較低的功能化程度則會使交聯(lián)反應(yīng)速度變慢，水凝膠固化時間延長，在打印過程中容易受到外力影響而發(fā)生變形，降低打印質(zhì)量。在制備光交聯(lián)透明質(zhì)酸（HA）水凝膠時，當HA的功能化程度較低時，打印結(jié)構(gòu)在交聯(lián)完成前容易發(fā)生變形；而當功能化程度過高時，打印過程中噴頭堵塞的概率明顯增加。3.2.2交聯(lián)相關(guān)因素交聯(lián)相關(guān)因素對光交聯(lián)水凝膠的可打印性有著關(guān)鍵影響，其中光照強度是一個重要因素。光照強度直接影響光引發(fā)劑的激發(fā)效率，進而影響自由基的產(chǎn)生速率。當光照強度較低時，光引發(fā)劑吸收的光子數(shù)量較少，產(chǎn)生的自由基數(shù)量也相對較少，交聯(lián)反應(yīng)速率較慢。在3D打印過程中，這會導(dǎo)致水凝膠固化時間延長，在固化之前，水凝膠容易受到重力、打印噴頭運動等外力的影響而發(fā)生變形，從而降低打印結(jié)構(gòu)的精度和形狀保真度。在打印復(fù)雜的組織工程支架時，如果光照強度不足，支架的細微結(jié)構(gòu)可能會因為水凝膠的變形而無法準確成型。而當光照強度過高時，自由基產(chǎn)生速率過快，交聯(lián)反應(yīng)過于劇烈，水凝膠可能在噴頭內(nèi)就迅速固化，導(dǎo)致噴頭堵塞，使打印過程無法順利進行。研究表明，在使用特定的光引發(fā)劑和水凝膠體系進行打印時，當光照強度低于一定閾值時，打印結(jié)構(gòu)的尺寸偏差較大；當光照強度超過某一上限時，噴頭堵塞的概率顯著增加。因此，需要根據(jù)具體的水凝膠配方和打印要求，精確調(diào)控光照強度，以實現(xiàn)良好的可打印性。曝光時間也是影響光交聯(lián)水凝膠可打印性的重要參數(shù)。曝光時間過短，光引發(fā)劑無法充分激發(fā)，產(chǎn)生的自由基不足以使水凝膠充分交聯(lián)，導(dǎo)致水凝膠固化不完全。未完全固化的水凝膠機械強度低，無法支撐自身重量，在打印過程中容易發(fā)生坍塌和變形，嚴重影響打印質(zhì)量。在打印多層結(jié)構(gòu)時，下層水凝膠如果固化不完全，上層水凝膠的重量會使其變形，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到破壞。相反，曝光時間過長，水凝膠過度交聯(lián)，可能會使其變得脆硬，失去良好的柔韌性和可塑性，在打印后容易出現(xiàn)裂紋或斷裂，影響打印結(jié)構(gòu)的完整性。在制備某種光交聯(lián)水凝膠時，當曝光時間為10秒時，水凝膠固化不完全，打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變形；當曝光時間延長至60秒時，水凝膠過度交聯(lián)，打印結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)大量裂紋。因此，合理控制曝光時間是保證光交聯(lián)水凝膠可打印性的關(guān)鍵，需要通過實驗優(yōu)化確定最佳的曝光時間。引發(fā)劑濃度對光交聯(lián)水凝膠的可打印性同樣有著顯著影響。引發(fā)劑濃度過低，產(chǎn)生的自由基數(shù)量不足，交聯(lián)反應(yīng)難以充分進行，水凝膠固化緩慢且不完全，導(dǎo)致打印過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)變形和坍塌。當引發(fā)劑濃度過高時，大量自由基的產(chǎn)生會使交聯(lián)反應(yīng)速率過快，水凝膠迅速固化，這不僅可能導(dǎo)致噴頭堵塞，還會使水凝膠內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在會使打印結(jié)構(gòu)在后續(xù)的放置過程中發(fā)生變形甚至破裂，降低打印質(zhì)量。在一項關(guān)于光交聯(lián)水凝膠的研究中，當引發(fā)劑濃度從0.1%增加到1%時，水凝膠的固化時間明顯縮短，但當引發(fā)劑濃度超過0.5%時，打印結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)內(nèi)部裂紋和變形現(xiàn)象。因此，準確控制引發(fā)劑濃度，使其既能保證交聯(lián)反應(yīng)的順利進行，又不會導(dǎo)致反應(yīng)過于劇烈，對于提高光交聯(lián)水凝膠的可打印性至關(guān)重要。3.2.3外界環(huán)境條件外界環(huán)境條件對光交聯(lián)水凝膠的可打印性有著不容忽視的影響，溫度便是其中一個重要因素。溫度對水凝膠的流變學(xué)性能有著顯著影響。在較低溫度下，水凝膠分子鏈的運動能力減弱，分子間相互作用增強，導(dǎo)致水凝膠的粘度增加，流動性變差。這使得水凝膠在打印噴頭內(nèi)的流動阻力增大，難以順利擠出，可能會出現(xiàn)擠出不連續(xù)、線條粗細不均勻等問題，嚴重影響打印質(zhì)量和效率。當溫度過高時，水凝膠分子鏈的熱運動加劇，分子間相互作用減弱，粘度降低，流動性增強。雖然這有利于水凝膠的擠出，但在打印過程中，由于其流動性過大，水凝膠難以保持形狀的穩(wěn)定性，容易發(fā)生變形和塌陷，從而降低打印結(jié)構(gòu)的精度和形狀保真度。在制備甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠時，當打印環(huán)境溫度為10℃時，水凝膠的擠出困難，打印線條不連續(xù)；當溫度升高到40℃時，打印出的結(jié)構(gòu)容易變形，無法保持預(yù)定形狀。因此，在光交聯(lián)水凝膠的3D打印過程中，需要嚴格控制環(huán)境溫度，使其保持在一個合適的范圍內(nèi)，以確保水凝膠具有良好的可打印性。濕度也是影響光交聯(lián)水凝膠可打印性的一個關(guān)鍵環(huán)境因素。水凝膠是親水性材料，對濕度變化較為敏感。在高濕度環(huán)境下，水凝膠容易吸收空氣中的水分，導(dǎo)致其含水量增加，溶脹程度增大。溶脹后的水凝膠體積膨脹，結(jié)構(gòu)變得疏松，機械強度降低。在打印過程中，這種結(jié)構(gòu)變化會使水凝膠難以保持形狀的穩(wěn)定性，容易發(fā)生變形和坍塌，影響打印結(jié)構(gòu)的精度和質(zhì)量。高濕度還可能影響光引發(fā)劑的性能和交聯(lián)反應(yīng)的進行，因為水分可能會與光引發(fā)劑發(fā)生相互作用，干擾自由基的產(chǎn)生，從而延緩交聯(lián)反應(yīng)速率，導(dǎo)致水凝膠固化不完全。相反，在低濕度環(huán)境下，水凝膠中的水分容易揮發(fā)，導(dǎo)致其失水收縮。失水收縮會使水凝膠的結(jié)構(gòu)變得致密，粘度增加，流動性變差，在打印過程中可能出現(xiàn)噴頭堵塞、擠出困難等問題。在打印透明質(zhì)酸（HA）水凝膠時，當環(huán)境濕度達到80%時，打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變形；當濕度降低到20%時，打印過程中頻繁出現(xiàn)噴頭堵塞現(xiàn)象。因此，控制環(huán)境濕度在合適的范圍內(nèi)，對于保證光交聯(lián)水凝膠的可打印性至關(guān)重要。3.3可打印性提升策略3.3.1材料改性材料改性是提升光交聯(lián)水凝膠可打印性的重要途徑，通過化學(xué)修飾和共混等方法，能夠顯著改善水凝膠的性能，使其更適合3D打印工藝。化學(xué)修飾是一種常用的材料改性手段，它通過在聚合物分子鏈上引入特定的官能團，改變分子鏈的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而提升水凝膠的可打印性。對天然高分子材料如明膠進行甲基丙烯?；揎棧爰谆；鶊F，得到甲基丙烯?；髂z（GelMA）。這種修飾不僅賦予明膠光交聯(lián)能力，還改善了其流變學(xué)性能。GelMA在溶液狀態(tài)下具有良好的流動性，便于在打印噴頭中擠出；而在光照條件下，甲基丙烯?；鶊F能夠迅速發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使水凝膠快速固化，保持打印結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性。有研究表明，通過控制甲基丙烯酰化的程度，可以精確調(diào)節(jié)GelMA水凝膠的交聯(lián)速度和機械性能，從而優(yōu)化其可打印性。當甲基丙烯酰化程度適中時，GelMA水凝膠在打印過程中能夠穩(wěn)定擠出，并且在交聯(lián)后形成的結(jié)構(gòu)具有較高的強度和精度，能夠滿足復(fù)雜組織工程支架的打印需求。除了化學(xué)修飾，共混也是一種有效的材料改性方法。將不同性質(zhì)的聚合物進行共混，可以綜合各聚合物的優(yōu)點，彌補單一聚合物的不足，從而提升水凝膠的可打印性。將聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）與甲基纖維素（MC）共混制備光交聯(lián)水凝膠。PEGDA具有良好的光交聯(lián)性能和生物相容性，但機械性能較弱；而MC具有較高的粘度和良好的增稠作用，能夠提高水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過共混，PEGDA-MC水凝膠結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，在打印過程中，MC的增稠作用使水凝膠具有合適的粘度，能夠穩(wěn)定擠出，避免出現(xiàn)噴頭堵塞和擠出不均勻的問題；同時，PEGDA的光交聯(lián)特性保證了水凝膠在光照后能夠迅速固化，形成具有一定機械強度的三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，當PEGDA與MC的共混比例為7:3時，水凝膠的可打印性最佳，打印出的結(jié)構(gòu)具有良好的形狀保真度和機械性能。在共混過程中，還可以添加一些功能性納米粒子來進一步提升水凝膠的可打印性。納米二氧化硅（SiO?）具有較大的比表面積和良好的分散性，將其添加到水凝膠體系中，可以增強水凝膠的機械性能和流變學(xué)性能。納米SiO?能夠與聚合物分子鏈相互作用，形成物理交聯(lián)點，增加分子鏈之間的纏結(jié)程度，從而提高水凝膠的粘度和彈性模量。在打印過程中，這種增強作用使水凝膠能夠更好地保持形狀穩(wěn)定性，減少變形和塌陷的發(fā)生。納米SiO?還可以改善水凝膠的光學(xué)性能，促進光交聯(lián)反應(yīng)的進行，提高交聯(lián)效率，進一步提升水凝膠的可打印性。有研究報道，在GelMA水凝膠中添加適量的納米SiO?后，水凝膠的拉伸強度提高了30%，打印結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性也得到了顯著提升。3.3.2打印工藝優(yōu)化打印工藝優(yōu)化是提升光交聯(lián)水凝膠可打印性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過合理調(diào)整打印參數(shù)和改進打印設(shè)備，可以有效提高打印質(zhì)量和效率，使水凝膠能夠更好地滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印需求。打印參數(shù)的優(yōu)化對光交聯(lián)水凝膠的可打印性有著顯著影響。打印速度是一個重要參數(shù)，它直接關(guān)系到水凝膠的擠出穩(wěn)定性和成型精度。如果打印速度過快，水凝膠在噴頭內(nèi)的停留時間過短，可能無法充分受到剪切力的作用，導(dǎo)致擠出不均勻，線條粗細不一致，甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，嚴重影響打印質(zhì)量。而打印速度過慢，則會降低打印效率，增加打印時間成本。研究表明，在擠出式3D打印甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠時，當打印速度為10mm/s時，水凝膠能夠穩(wěn)定擠出，打印線條均勻連續(xù)；當速度提高到50mm/s時，打印線條出現(xiàn)明顯的粗細波動和斷裂情況。因此，需要根據(jù)水凝膠的流變學(xué)性能和噴頭尺寸等因素，通過實驗確定最佳的打印速度。擠出壓力也是影響可打印性的關(guān)鍵參數(shù)之一。適當?shù)臄D出壓力能夠使水凝膠順利從噴頭中擠出，并且在擠出后保持形狀的穩(wěn)定性。擠出壓力過小，水凝膠無法克服噴頭的阻力，難以擠出，導(dǎo)致打印過程中斷；擠出壓力過大，水凝膠受到的剪切力過大，可能會使其結(jié)構(gòu)受到破壞，粘度降低，在擠出后容易發(fā)生變形和塌陷。在打印聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠時，當擠出壓力為0.1MPa時，水凝膠擠出困難；當壓力增加到0.3MPa時，水凝膠能夠順利擠出，但打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變形；而當壓力調(diào)整為0.2MPa時，水凝膠的擠出穩(wěn)定性和成型精度都達到了較好的狀態(tài)。除了打印速度和擠出壓力，層厚也是需要優(yōu)化的重要參數(shù)。層厚過大，會導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的分辨率降低，無法構(gòu)建出精細的結(jié)構(gòu)；層厚過小，則會增加打印層數(shù)，延長打印時間，同時也可能會影響層間結(jié)合強度。在打印具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組織工程支架時，需要根據(jù)支架的設(shè)計要求和水凝膠的固化特性，選擇合適的層厚。一般來說，對于需要高精度的結(jié)構(gòu)，層厚可控制在0.1-0.3mm之間；對于對精度要求相對較低的大型結(jié)構(gòu)，層厚可以適當增加到0.5-1mm。改進打印設(shè)備也是提升光交聯(lián)水凝膠可打印性的重要策略。傳統(tǒng)的打印設(shè)備在打印光交聯(lián)水凝膠時可能存在一些局限性，如光照不均勻、噴頭精度不足等問題。為了解決這些問題，研究人員不斷研發(fā)新型打印設(shè)備。開發(fā)具有高精度噴頭的3D打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的水凝膠擠出，提高打印結(jié)構(gòu)的分辨率和精度。采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造的噴頭，其孔徑可以精確控制在微米級，能夠?qū)崿F(xiàn)對水凝膠的微量擠出，適用于打印微小尺寸的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化光照系統(tǒng)也是改進打印設(shè)備的重要方面。設(shè)計能夠提供均勻、穩(wěn)定光照的光源，確保水凝膠在交聯(lián)過程中各個部位都能充分固化，避免出現(xiàn)局部固化不完全或過度固化的情況。采用數(shù)字微鏡器件（DMD）技術(shù)的光固化3D打印機，能夠通過精確控制光線的投射圖案和強度，實現(xiàn)對水凝膠的選擇性光交聯(lián)，從而提高打印結(jié)構(gòu)的精度和復(fù)雜性。在打印具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的血管網(wǎng)絡(luò)模型時，DMD光固化3D打印機能夠根據(jù)模型的設(shè)計，精確控制光線的照射區(qū)域，使水凝膠在特定位置交聯(lián)固化，形成精確的血管結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的光照系統(tǒng)則難以實現(xiàn)如此精確的控制。四、光交聯(lián)水凝膠生物活性研究4.1生物活性的體現(xiàn)與意義生物活性是光交聯(lián)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的核心要素之一，它在多個關(guān)鍵方面有著顯著體現(xiàn)，對組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展意義深遠。在細胞粘附方面，生物活性起著決定性作用。細胞粘附是細胞與材料表面相互作用的初始步驟，對于細胞在水凝膠上的存活、增殖和功能發(fā)揮至關(guān)重要。具有良好生物活性的光交聯(lián)水凝膠能夠提供適宜的表面化學(xué)和物理微環(huán)境，促進細胞與水凝膠表面的特異性結(jié)合。水凝膠表面修飾有細胞粘附肽，如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，能夠與細胞表面的整合素受體特異性結(jié)合，增強細胞的粘附能力。這種特異性結(jié)合能夠激活細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)通路，促進細胞的鋪展和形態(tài)調(diào)整，為后續(xù)的細胞增殖和分化奠定基礎(chǔ)。研究表明，在聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠中引入RGD肽后，成纖維細胞在水凝膠表面的粘附數(shù)量明顯增加，粘附強度也顯著提高，這為構(gòu)建功能性組織工程支架提供了有力支持。如果光交聯(lián)水凝膠缺乏生物活性，細胞難以在其表面粘附，就無法有效地利用水凝膠提供的三維空間進行生長和分化，從而限制了水凝膠在組織工程中的應(yīng)用。細胞增殖是組織修復(fù)和再生的關(guān)鍵過程，生物活性對其有著重要影響。具有生物活性的光交聯(lián)水凝膠能夠為細胞提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子和適宜的微環(huán)境，促進細胞的分裂和增殖。水凝膠中含有促進細胞增殖的生長因子，如表皮生長因子（EGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）等，這些生長因子能夠與細胞表面的受體結(jié)合，激活細胞內(nèi)的增殖信號通路，加速細胞周期進程，從而促進細胞的增殖。有研究將負載EGF的光交聯(lián)甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠與成纖維細胞共培養(yǎng)，結(jié)果顯示，與對照組相比，實驗組細胞的增殖速率明顯加快，細胞數(shù)量在培養(yǎng)7天后增加了近兩倍。這充分證明了生物活性在促進細胞增殖方面的重要作用。相反，若光交聯(lián)水凝膠生物活性不足，無法提供細胞增殖所需的信號和環(huán)境，細胞的增殖能力會受到抑制，導(dǎo)致組織修復(fù)和再生的速度減緩。細胞分化是細胞從一種未分化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟üδ艿姆只癄顟B(tài)的過程，對于構(gòu)建具有功能的組織和器官至關(guān)重要。生物活性在細胞分化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用。通過在光交聯(lián)水凝膠中引入特定的生物活性分子或模擬細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，能夠誘導(dǎo)細胞向特定的方向分化。在軟骨組織工程中，將軟骨細胞與含有轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）的光交聯(lián)透明質(zhì)酸（HA）水凝膠共培養(yǎng)，TGF-β能夠激活軟骨細胞內(nèi)的相關(guān)基因表達，促進軟骨特異性細胞外基質(zhì)的合成，從而誘導(dǎo)軟骨細胞向成熟的軟骨細胞分化，形成具有良好力學(xué)性能和生物學(xué)功能的軟骨組織。研究表明，在含有TGF-β的光交聯(lián)HA水凝膠中培養(yǎng)的軟骨細胞，其II型膠原蛋白和蛋白聚糖的表達水平明顯高于對照組，表明細胞向軟骨細胞分化的程度更高。若光交聯(lián)水凝膠不具備合適的生物活性，細胞的分化方向難以控制，可能導(dǎo)致組織工程構(gòu)建的組織或器官功能不完善。在組織再生方面，生物活性的意義更是不言而喻。具有良好生物活性的光交聯(lián)水凝膠能夠促進細胞與周圍組織的整合，引導(dǎo)組織的再生和修復(fù)。在傷口愈合過程中，光交聯(lián)水凝膠作為傷口敷料，能夠為傷口提供濕潤的環(huán)境，促進細胞的遷移和增殖，同時釋放生長因子等生物活性物質(zhì)，刺激血管生成和膠原蛋白合成，加速傷口的愈合。在骨缺損修復(fù)中，生物活性的光交聯(lián)水凝膠可以作為支架材料，支持成骨細胞的粘附、增殖和分化，促進新骨組織的形成。通過在水凝膠中引入骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）等生物活性分子，能夠增強水凝膠對成骨細胞的誘導(dǎo)作用，促進骨缺損的修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠顱骨缺損模型中，植入含有BMP的光交聯(lián)水凝膠后，骨缺損部位的新骨形成量明顯增加，骨修復(fù)效果顯著優(yōu)于對照組。這表明生物活性對于組織再生具有重要的促進作用，能夠為解決臨床上組織損傷和缺損的修復(fù)問題提供有效的手段。4.2影響生物活性的因素4.2.1材料組成材料組成是影響光交聯(lián)水凝膠生物活性的關(guān)鍵因素之一，其中天然材料與合成材料的選擇起著決定性作用。天然材料如明膠、透明質(zhì)酸等，因其與生物體的天然成分具有高度相似性，故而具備出色的生物相容性和生物活性。明膠富含多種氨基酸序列，這些序列能夠為細胞提供豐富的粘附位點，促進細胞與水凝膠表面的緊密結(jié)合。有研究表明，在明膠基光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)成纖維細胞，細胞在水凝膠表面的粘附數(shù)量明顯多于其他合成材料基水凝膠，且細胞形態(tài)良好，伸展充分，這充分體現(xiàn)了明膠對細胞粘附的促進作用。透明質(zhì)酸作為細胞外基質(zhì)的重要組成部分，不僅具有良好的保濕性能，還能夠參與細胞間的信號傳導(dǎo)，調(diào)節(jié)細胞的增殖和分化。在軟骨組織工程中，透明質(zhì)酸基光交聯(lián)水凝膠能夠為軟骨細胞提供適宜的微環(huán)境，促進軟骨細胞合成軟骨特異性細胞外基質(zhì)，如II型膠原蛋白和蛋白聚糖，從而有效誘導(dǎo)軟骨細胞的分化和組織再生。合成材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）等，雖然具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性，但其生物活性相對較低。PEGDA分子結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，缺乏與細胞表面受體特異性結(jié)合的位點，導(dǎo)致細胞在PEGDA水凝膠上的粘附和增殖能力較弱。為了改善這一狀況，研究人員通常會對合成材料進行改性，引入具有生物活性的基團或分子。在PEGDA分子鏈上引入精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽序列，能夠顯著增強細胞在PEGDA水凝膠上的粘附能力。RGD肽可以與細胞表面的整合素受體特異性結(jié)合，激活細胞內(nèi)的粘附信號通路，促進細胞的鋪展和增殖。實驗結(jié)果顯示，修飾后的PEGDA水凝膠與未修飾的相比，細胞粘附數(shù)量增加了約50%，細胞增殖速率也明顯提高。生物活性分子的引入對光交聯(lián)水凝膠的生物活性有著顯著的提升作用。生長因子作為一類重要的生物活性分子，能夠特異性地與細胞表面的受體結(jié)合，激活細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)通路，從而促進細胞的增殖和分化。在骨組織工程中，將骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）引入光交聯(lián)水凝膠中，BMP能夠刺激成骨細胞的增殖和分化，促進新骨組織的形成。研究表明，含有BMP的光交聯(lián)水凝膠在體內(nèi)植入實驗中，能夠顯著提高骨缺損部位的新骨形成量，與對照組相比，新骨面積增加了約30%，骨密度也有明顯提升。細胞粘附肽如RGD肽，能夠增強細胞與水凝膠之間的相互作用，促進細胞的粘附和增殖。在皮膚組織工程中，將RGD肽修飾的光交聯(lián)水凝膠用于皮膚細胞的培養(yǎng)，細胞在水凝膠表面的粘附更加牢固，增殖速度加快，并且能夠促進皮膚細胞合成膠原蛋白等細胞外基質(zhì)，有助于皮膚組織的修復(fù)和再生。4.2.2交聯(lián)過程交聯(lián)過程對光交聯(lián)水凝膠的生物活性有著至關(guān)重要的影響，其中交聯(lián)程度是一個關(guān)鍵因素。交聯(lián)程度直接關(guān)系到水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，進而影響其生物活性。適度的交聯(lián)能夠形成穩(wěn)定且具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，為細胞提供適宜的生長微環(huán)境。在這種情況下，水凝膠具有良好的機械性能，能夠承受一定的外力而不發(fā)生變形或破裂，同時其孔隙結(jié)構(gòu)能夠允許營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的自由擴散，滿足細胞生長和代謝的需求。在適度交聯(lián)的甲基丙烯?；髂z（GelMA）水凝膠中培養(yǎng)軟骨細胞，細胞能夠在水凝膠內(nèi)均勻分布，保持良好的形態(tài)和活性，軟骨特異性基因的表達水平也較高，表明細胞的分化狀態(tài)良好，這為軟骨組織的再生提供了有利條件。然而，交聯(lián)程度過高會使水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于致密，孔隙尺寸減小，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的擴散受阻。這會使細胞無法獲得足夠的營養(yǎng)供應(yīng)，代謝廢物也難以排出，從而抑制細胞的生長和代謝，降低水凝膠的生物活性。當GelMA水凝膠的交聯(lián)程度過高時，軟骨細胞在水凝膠內(nèi)的增殖速率明顯下降，細胞活力降低，軟骨特異性細胞外基質(zhì)的合成也受到抑制，影響軟骨組織的修復(fù)和再生。相反，交聯(lián)程度過低則會使水凝膠的機械性能較差，無法為細胞提供有效的支撐，水凝膠在受力時容易發(fā)生變形或破裂，不利于細胞的生長和存活。在交聯(lián)程度過低的GelMA水凝膠中，軟骨細胞難以維持正常的形態(tài)，容易從水凝膠中脫落，細胞的增殖和分化也受到嚴重影響。交聯(lián)方式同樣對光交聯(lián)水凝膠的生物活性有著顯著影響。不同的交聯(lián)方式會導(dǎo)致水凝膠形成不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，從而影響其與細胞的相互作用。自由基聚合交聯(lián)是一種常見的光交聯(lián)方式，在自由基聚合交聯(lián)過程中，自由基的產(chǎn)生和反應(yīng)較為劇烈，可能會導(dǎo)致水凝膠中產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的化學(xué)鍵或活性基團。這些不穩(wěn)定因素可能會對細胞產(chǎn)生潛在的毒性，影響細胞的活性和功能。有研究發(fā)現(xiàn)，在某些自由基聚合交聯(lián)的光交聯(lián)水凝膠中，細胞的存活率明顯低于其他交聯(lián)方式制備的水凝膠，細胞的增殖和分化也受到不同程度的抑制。相比之下，硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)交聯(lián)具有反應(yīng)條件溫和、選擇性高、對細胞毒性小等優(yōu)點。這種交聯(lián)方式能夠在較為溫和的條件下形成穩(wěn)定的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，減少對細胞的損傷，有利于維持細胞的活性和功能。在使用硫醇-烯烴“點擊”反應(yīng)制備的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)細胞，細胞的存活率較高，能夠保持良好的增殖和分化能力，表明該交聯(lián)方式對細胞的生物活性影響較小，更適合用于細胞培養(yǎng)和組織工程等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。4.2.3微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)是影響光交聯(lián)水凝膠生物活性的重要因素，其中孔徑大小起著關(guān)鍵作用。合適的孔徑能夠為細胞的生長、遷移和代謝提供良好的空間。當孔徑較大時，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物能夠更順暢地在水凝膠中擴散，為細胞提供充足的養(yǎng)分并及時排出廢物，有利于細胞的新陳代謝和功能發(fā)揮。在大孔徑的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)成纖維細胞，細胞能夠迅速攝取營養(yǎng)物質(zhì)，增殖速度加快，并且細胞能夠在水凝膠內(nèi)自由遷移，形成緊密的細胞網(wǎng)絡(luò)，促進組織的修復(fù)和再生。大孔徑還能夠促進血管的長入，為組織提供豐富的血液供應(yīng)，進一步加速組織的愈合過程。然而，孔徑過大也會帶來一些問題。過大的孔徑可能導(dǎo)致水凝膠的機械性能下降，無法為細胞提供足夠的支撐，使細胞在生長過程中難以維持正常的形態(tài)和功能。在孔徑過大的水凝膠中，細胞容易發(fā)生變形和塌陷，影響細胞的增殖和分化。孔徑過大還可能使細胞在水凝膠中的分布不均勻，降低細胞與水凝膠之間的相互作用效率，從而影響水凝膠的生物活性。當孔徑過小時，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的擴散會受到阻礙，細胞無法獲得充足的養(yǎng)分，代謝廢物也會在細胞周圍積累，抑制細胞的生長和代謝。在小孔徑的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)軟骨細胞，細胞的增殖速率明顯降低，軟骨特異性細胞外基質(zhì)的合成也受到抑制，導(dǎo)致軟骨組織的修復(fù)和再生受到阻礙。小孔徑還會限制細胞的遷移和伸展，使細胞無法充分發(fā)揮其功能，影響水凝膠的生物活性?？紫堵室彩怯绊懝饨宦?lián)水凝膠生物活性的重要微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。較高的孔隙率意味著水凝膠具有更多的空隙空間，能夠容納更多的細胞和生物活性分子，促進細胞的生長和組織的修復(fù)。在高孔隙率的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)干細胞，干細胞能夠更好地在水凝膠內(nèi)定植和分化，形成具有特定功能的組織。高孔隙率還能夠增加水凝膠與周圍組織的接觸面積，促進細胞與組織之間的物質(zhì)交換和信號傳遞，有利于水凝膠與周圍組織的整合。但是，孔隙率過高也會降低水凝膠的機械強度，使其難以承受外力作用，容易發(fā)生變形或破裂，這對細胞的生長和存活不利。孔隙率過高還可能導(dǎo)致水凝膠的穩(wěn)定性下降，影響其在體內(nèi)的使用壽命。相反，孔隙率過低會限制細胞的生長空間和物質(zhì)擴散，降低水凝膠的生物活性。在孔隙率過低的光交聯(lián)水凝膠中，細胞的生長受到限制，無法充分發(fā)揮其功能，不利于組織的修復(fù)和再生。水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對其生物活性同樣有著重要影響。均勻且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠為細胞提供均勻的力學(xué)支撐和物質(zhì)傳輸環(huán)境，有利于細胞的均勻分布和功能發(fā)揮。在具有均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)細胞，細胞能夠在水凝膠內(nèi)均勻生長，細胞之間的相互作用更加協(xié)調(diào)，促進組織的有序構(gòu)建。而不均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致局部力學(xué)性能和物質(zhì)傳輸?shù)牟町?，使細胞在不同區(qū)域的生長和代謝情況不一致，影響水凝膠的整體生物活性。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻的水凝膠中，部分區(qū)域的細胞可能因為力學(xué)環(huán)境不適宜或物質(zhì)供應(yīng)不足而生長緩慢，甚至死亡，從而影響整個組織工程支架的性能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔韌性也會影響水凝膠的生物活性。具有一定柔韌性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)細胞的生長和變形，為細胞提供更舒適的微環(huán)境。在柔韌性較好的光交聯(lián)水凝膠中培養(yǎng)細胞，細胞能夠更自由地伸展和遷移，有利于細胞的增殖和分化。而過于剛性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會限制細胞的活動，影響細胞的功能發(fā)揮。在剛性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠中，細胞的伸展和遷移受到限制，細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)也可能受到影響，導(dǎo)致細胞的增殖和分化能力下降。4.3生物活性增強方法4.3.1引入生物活性因子引入生物活性因子是增強光交聯(lián)水凝膠生物活性的重要策略，生長因子和細胞粘附肽在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。生長因子作為一類具有重要生物活性的蛋白質(zhì)或多肽，能夠通過與細胞表面的特異性受體結(jié)合，激活細胞內(nèi)一系列復(fù)雜的信號傳導(dǎo)通路，從而對細胞的增殖、分化、遷移等行為產(chǎn)生精確調(diào)控，促進組織的再生和修復(fù)。在骨組織工程中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）是一種極具代表性的生長因子。研究表明，將BMP引入光交聯(lián)水凝膠中，能夠顯著促進成骨細胞的增殖和分化，加速新骨組織的形成。在一項針對大鼠顱骨缺損修復(fù)的實驗中，實驗組植入含有BMP的光交聯(lián)水凝膠，對照組植入不含有BMP的普通水凝膠。經(jīng)過一段時間的觀察發(fā)現(xiàn)，實驗組骨缺損部位的新骨形成量明顯多于對照組，骨密度也有顯著提升，表明BMP有效地促進了骨組織的再生。這是因為BMP能夠刺激成骨細胞內(nèi)相關(guān)基因的表達，促進成骨細胞合成骨基質(zhì)蛋白，如Ⅰ型膠原蛋白和骨鈣素等，同時還能誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，增加成骨細胞的數(shù)量，從而加速骨缺損的修復(fù)進程。血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）在血管生成方面具有重要作用。在組織工程中，構(gòu)建具有良好血管化的組織工程支架對于組織的存活和功能發(fā)揮至關(guān)重要。將VEGF引入光交聯(lián)水凝膠中，能夠促進血管內(nèi)皮細胞的增殖、遷移和分化，誘導(dǎo)血管生成。有研究利用含有VEGF的光交聯(lián)水凝膠構(gòu)建組織工程皮膚，結(jié)果顯示，該水凝膠能夠促進皮膚組織內(nèi)血管的生成，使皮膚組織獲得充足的血液供應(yīng)，從而加速皮膚的修復(fù)和再生。這是由于VEGF與血管內(nèi)皮細胞表面的受體結(jié)合后，激活了細胞內(nèi)的增殖和遷移相關(guān)信號通路，促進血管內(nèi)皮細胞的分裂和向周圍組織的遷移，形成新的血管網(wǎng)絡(luò)。細胞粘附肽也是一類重要的生物活性因子，其中精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽是最為常見的細胞粘附肽之一。RGD肽能夠與細胞表面的整合素受體特異性結(jié)合，增強細胞與水凝膠之間的相互作用，促進細胞的粘附、鋪展和增殖。在皮膚組織工程中，將RGD肽修飾的光交聯(lián)水凝膠用于皮膚細胞的培養(yǎng)，細胞在水凝膠表面的粘附數(shù)量明顯增加，粘附強度也顯著提高，細胞能夠更好地鋪展和增殖，并且能夠促進皮膚細胞合成膠原蛋白等細胞外基質(zhì)，有助于皮膚組織的修復(fù)和再生。這是因為RGD肽與整合素受體結(jié)合后，激活了細胞內(nèi)的粘附信號通路，促進了細胞骨架的重組和粘著斑的形成，使細胞能夠更牢固地粘附在水凝膠表面，進而促進細胞的增殖和分化。除了RGD肽，其他一些細胞粘附肽也在光交聯(lián)水凝膠的生物活性增強中發(fā)揮著作用。如異亮氨酸-賴氨酸-纈氨酸-丙氨酸-纈氨酸（IKVAV）肽，它能夠特異性地與神經(jīng)細胞表面的受體結(jié)合，促進神經(jīng)細胞的粘附和軸突的生長。在神經(jīng)組織工程中，將IKVAV肽引入光交聯(lián)水凝膠中，能夠為神經(jīng)細胞提供更好的生長微環(huán)境，促進神經(jīng)組織的修復(fù)和再生。4.3.2表面修飾表面修飾是提升光交聯(lián)水凝膠生物活性的有效手段，通過物理吸附、化學(xué)接枝等方法，能夠在水凝膠表面引入具有生物活性的分子或基團，顯著改善水凝膠與細胞之間的相互作用。物理吸附是一種較為簡單的表面修飾方法，它利用分子間的范德華力、靜電作用等將生物活性分子吸附到水凝膠表面。殼聚糖是一種天然的多糖，具有良好的生物相容性和抗菌性能。將殼聚糖通過物理吸附的方式修飾到光交聯(lián)水凝膠表面，能夠改善水凝膠的表面性質(zhì)，促進細胞的粘附和生長。在一項研究中，將殼聚糖物理吸附到聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠表面，然后將成纖維細胞與修飾后的水凝膠共培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未修飾的PEGDA水凝膠相比，修飾后的水凝膠表面細胞的粘附數(shù)量明顯增加，細胞的增殖速率也有所提高。這是因為殼聚糖表面帶有正電荷，能夠與細胞表面的負電荷相互吸引，增強細胞與水凝膠之間的靜電作用，從而促進細胞的粘附。殼聚糖還能夠為細胞提供一些營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子，進一步促進細胞的生長和增殖?；瘜W(xué)接枝則是通過化學(xué)反應(yīng)在水凝膠表面引入生物活性分子或基團，這種方法能夠使生物活性分子與水凝膠表面形成共價鍵，結(jié)合更加牢固和穩(wěn)定。將精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽通過化學(xué)接枝的方式連接到光交聯(lián)水凝膠表面，能夠顯著增強細胞在水凝膠上的粘附和增殖能力。在骨組織工程中，將RGD肽化學(xué)接枝到甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠表面，然后將成骨細胞與修飾后的水凝膠共培養(yǎng)。實驗結(jié)果表明，成骨細胞在修飾后的水凝膠表面能夠更好地粘附和鋪展，細胞內(nèi)的堿性磷酸酶活性明顯提高，表明成骨細胞的分化程度增強。這是因為RGD肽與成骨細胞表面的整合素受體特異性結(jié)合，激活了細胞內(nèi)的粘附和分化相關(guān)信號通路，促進了成骨細胞的粘附、增殖和分化。除了引入生物活性分子，對水凝膠表面進行親疏水性調(diào)控也是表面修飾的重要策略之一。水凝膠表面的親疏水性會影響細胞與水凝膠之間的相互作用，進而影響細胞的粘附、增殖和分化。通過表面修飾改變水凝膠表面的親疏水性，可以優(yōu)化細胞的生長微環(huán)境，提高水凝膠的生物活性。在水凝膠表面引入親水性基團，如羥基、羧基等，能夠增加水凝膠表面的親水性，促進細胞的粘附和鋪展。有研究將羧基引入到光交聯(lián)水凝膠表面，發(fā)現(xiàn)細胞在修飾后的水凝膠表面的粘附數(shù)量明顯增加，細胞的鋪展形態(tài)也更加良好。這是因為親水性基團能夠與水分子形成氫鍵，使水凝膠表面形成一層水膜，有利于細胞與水凝膠表面的接觸和相互作用，從而促進細胞的粘附和鋪展。相反，在某些情況下，適當增加水凝膠表面的疏水性也能夠調(diào)節(jié)細胞的行為。在水凝膠表面引入疏水性基團，如烷基等，能夠使水凝膠表面形成一定的疏水性微區(qū)，這種微區(qū)能夠模擬細胞外基質(zhì)中的某些成分，對細胞的粘附和增殖產(chǎn)生特定的影響，在一些組織工程應(yīng)用中具有重要意義。五、可打印性與生物活性的關(guān)聯(lián)5.1相互作用機制分析從微觀層面深入剖析光交聯(lián)水凝膠可打印性與生物活性的相互作用機制，對于全面理解這兩個關(guān)鍵性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及開發(fā)高性能的光交聯(lián)水凝膠具有重要意義。可打印性與生物活性之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系在微觀層面主要通過水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成來體現(xiàn)。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，水凝膠的孔徑大小、孔隙率和交聯(lián)密度等因素對可打印性和生物活性都有著重要影響。合適的孔徑大小對于可打印性和生物活性都至關(guān)重要。在可打印性方面，孔徑大小會影響水凝膠在打印過程中的流動性和擠出穩(wěn)定性。較小的孔徑可能會增加水凝膠的內(nèi)部阻力，導(dǎo)致打印時擠出困難，影響打印的連續(xù)性和精度；而較大的孔徑則可能使水凝膠在交聯(lián)前難以保持形狀穩(wěn)定性，容易發(fā)生變形和塌陷，降低打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在生物活性方面，孔徑大小直接關(guān)系到細胞的生長和代謝環(huán)境。適宜的孔徑能夠為細胞提供充足的生長空間，便于營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和代謝產(chǎn)物的排出，促進細胞的增殖和分化。研究表明，當光交聯(lián)水凝膠的孔徑在幾十到幾百微米之間時，既能保證良好的可打印性，又能為細胞提供適宜的生長微環(huán)境，促進細胞的黏附、增殖和分化?？紫堵室彩怯绊懣纱蛴⌒院蜕锘钚缘闹匾⒂^結(jié)構(gòu)參數(shù)。較高的孔隙率可以使水凝膠在打印過程中更容易流動，降低內(nèi)部應(yīng)力，從而提高可打印性。在生物活性方面，高孔隙率的水凝膠能夠增加與細胞的接觸面積，促進細胞的黏附和生長，同時也有利于營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子的擴散，為細胞提供更好的生存環(huán)境。但是，孔隙率過高也會降低水凝膠的機械強度，影響其在打印和實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，對可打印性和生物活性產(chǎn)生負面影響。交聯(lián)密度對可打印性和生物活性的影響也不容忽視。交聯(lián)密度過高會使水凝膠的硬度增加，流動性變差，導(dǎo)致打印困難，同時也會使水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于致密，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的擴散，影響細胞的生長和代謝，降低生物活性。相反，交聯(lián)密度過低會使水凝膠的機械性能不足，無法維持打印結(jié)構(gòu)的形狀，并且在生物活性方面，可能無法為細胞提供足夠的力學(xué)支撐，影響細胞的正常功能。從化學(xué)組成角度來看，水凝膠中的生物活性分子和功能基團對可打印性和生物活性的相互作用起著關(guān)鍵作用。生物活性分子如生長因子、細胞粘附肽等，不僅能夠增強水凝膠的生物活性，促進細胞的黏附、增殖和分化，還可能對水凝膠的流變學(xué)性能產(chǎn)生影響，進而影響可打印性。生長因子的引入可能會改變水凝膠的分子間相互作用，導(dǎo)致水凝膠的粘度發(fā)生變化。如果生長因子與水凝膠分子之間形成較強的相互作用，可能會增加水凝膠的粘度，使打印過程變得困難；反之，如果生長因子能夠破壞水凝膠分子間的部分相互作用，降低粘度，則可能有利于打印。細胞粘附肽如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，在增強細胞與水凝膠粘附的同時，也可能影響水凝膠的表面性質(zhì)和流變學(xué)性能，從而對可打印性產(chǎn)生影響。功能基團的種類和含量也會影響可打印性和生物活性的相互關(guān)系。一些功能基團可能會參與交聯(lián)反應(yīng)，影響交聯(lián)程度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而影響可打印性和生物活性。含雙鍵的功能基團在光交聯(lián)過程中起著關(guān)鍵作用，其含量的多少會影響交聯(lián)速度和交聯(lián)密度，從而對可打印性和生物活性產(chǎn)生不同程度的影響。引入親水性或疏水性功能基團會改變水凝膠的表面性質(zhì)和溶脹性能，這不僅會影響細胞與水凝膠的相互作用，還可能影響水凝膠在打印過程中的流動性和穩(wěn)定性，從而在微觀層面上對可打印性和生物活性的相互作用產(chǎn)生復(fù)雜的影響。5.2實驗驗證與數(shù)據(jù)分析為了深入驗證光交聯(lián)水凝膠可打印性與生物活性的相互作用機制，本研究開展了一系列嚴謹?shù)膶嶒?，并對實驗?shù)據(jù)進行了詳細的分析。在實驗過程中，選用甲基丙烯?；髂z（GelMA）作為光交聯(lián)水凝膠的基礎(chǔ)材料。通過改變GelMA的濃度、光引發(fā)劑濃度以及光照強度等參數(shù)，制備了不同性能的光交聯(lián)水凝膠樣本。利用流變儀對水凝膠的流變學(xué)性能進行測試，得到不同剪切速率下的粘度、彈性模量和粘性模量等流變參數(shù)。在生物活性方面，將成纖維細胞與制備好的水凝膠樣本共培養(yǎng)，采用MTT法檢測細胞活性，通過細胞計數(shù)評估細胞增殖情況，使用掃描電子顯微鏡觀察細胞形態(tài)。實驗數(shù)據(jù)表明，隨著GelMA濃度的增加，水凝膠的粘度顯著增大。當GelMA濃度從5%（w/v）增加到15%（w/v）時，在低剪切速率（0.1s?1）下，粘度從100Pa?s增加到500Pa?s，這使得水凝膠在打印過程中擠出難度增大，打印速度降低，擠出穩(wěn)定性變差，對可打印性產(chǎn)生負面影響。在生物活性方面，較高濃度的GelMA水凝膠為細胞提供了更多的粘附位點和營養(yǎng)物質(zhì)，促進了細胞的粘附和增殖。在GelMA濃度為15%（w/v）的水凝膠上培養(yǎng)的成纖維細胞，其細胞活性比在5%（w/v）濃度下提高了約30%，細胞增殖速率也明顯加快。這表明在一定范圍內(nèi)，GelMA濃度的增加雖然對可打印性不利，但有利于提高生物活性。光引發(fā)劑濃度對可打印性和生物活性也有顯著影響。當光引發(fā)劑濃度從0.1%增加到0.5%時，交聯(lián)反應(yīng)速率加快，水凝膠的固化時間明顯縮短，從原來的5分鐘縮短至1分鐘，這有利于提高打印效率和成型精度，對可打印性有積極作用。然而，過高的光引發(fā)劑濃度可能會導(dǎo)致自由基產(chǎn)生過多，對細胞產(chǎn)生一定的毒性。實驗結(jié)果顯示，在光引發(fā)劑濃度為0.5%的水凝膠中培養(yǎng)的細胞，其活性比在0.1%濃度下降低了約15%，細胞增殖也受到一定抑制。這說明光引發(fā)劑濃度在提高可打印性的同時，可能會對生物活性產(chǎn)生負面影響。光照強度同樣對可打印性和生物活性產(chǎn)生重要影響。較低的光照強度下，水凝膠的交聯(lián)反應(yīng)速率較慢，固化不完全，導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性較差。當光照強度從50mW/cm2增加到200mW/cm2時，水凝膠的交聯(lián)度顯著提高，打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度和分辨率明顯改善，可打印性得到提升。在生物活性方面，過高的光照強度可能會對細胞造成損傷。研究發(fā)現(xiàn)，在光照強度為200mW/cm2的條件下制備的水凝膠中，細胞的存活率比在50mW/cm2下降低了約10%，細胞形態(tài)也出現(xiàn)了一定程度的變形。這表明光照強度在優(yōu)化可打印性時，需要謹慎控制，以避免對生物活性產(chǎn)生不良影響。通過相關(guān)性分析，進一步明確了可打印性參數(shù)與生物活性指標之間的量化關(guān)系。結(jié)果顯示，水凝膠的粘度與細胞增殖速率呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.75，表明粘度的增加會抑制細胞的增殖；交聯(lián)度與細胞活性呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.82，說明交聯(lián)度的提高有利于維持細胞的活性。這些量化關(guān)系為深入理解可打印性與生物活性的相互作用機制提供了有力的數(shù)據(jù)支持，也為后續(xù)優(yōu)化光交聯(lián)水凝膠的性能提供了明確的方向。六、光交聯(lián)水凝膠的應(yīng)用實例6.1在組織工程中的應(yīng)用6.1.1構(gòu)建組織工程支架在組織工程領(lǐng)域，光交聯(lián)水凝膠憑借其獨特的優(yōu)勢，成為構(gòu)建組織工程支架的理想材料，為細胞的生長、增殖和分化提供了至關(guān)重要的微環(huán)境。光交聯(lián)水凝膠具有良好的生物相容性，這使得它能夠與細胞和諧共處，減少免疫排斥反應(yīng)，為細胞的存活和功能發(fā)揮創(chuàng)造有利條件。其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與細胞外基質(zhì)極為相似，能夠模擬細胞在體內(nèi)的生存環(huán)境，為細胞提供物理支撐和信號傳導(dǎo)，促進細胞的黏附、遷移和分化。在軟骨組織工程中，甲基丙烯?；髂z（GelMA）光交聯(lián)水凝膠展現(xiàn)出卓越的性能。GelMA水凝膠的孔徑大小和孔隙率可以通過調(diào)整制備條件進行精確控制，為軟骨細胞提供了適宜的生長空間。研究表明，當GelMA水凝膠的孔徑在100-200微米之間，孔隙率達到80%以上時，軟骨細胞能夠在水凝膠中均勻分布，保持良好的形態(tài)和活性，并且能夠高效地合成軟骨特異性細胞外基質(zhì)，如II型膠原蛋白和蛋白聚糖，從而促進軟骨組織的修復(fù)和再生。通過3D打印技術(shù)，還可以將GelMA水凝膠構(gòu)建成具有復(fù)雜形狀的軟骨組織工程支架，更好地匹配軟骨缺損部位的形態(tài)，提高修復(fù)效果。在血管組織工程中，光交聯(lián)水凝膠同樣發(fā)揮著重要作用。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）光交聯(lián)水凝膠具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性，能夠通過光刻技術(shù)制備出具有精確微通道結(jié)構(gòu)的血管支架。這些微通道模擬了天然血管的結(jié)構(gòu)，能夠為血管內(nèi)皮細胞的生長和血管形成提供模板。研究發(fā)現(xiàn)，在PEGDA水凝膠微通道中培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細胞能夠快速增殖并形成連續(xù)的血管內(nèi)皮層，并且能夠分泌血管生成相關(guān)的細胞因子，促進血管的成熟和穩(wěn)定。將這種光交聯(lián)水凝膠血管支架植入體內(nèi)后，能夠與宿主血管迅速連接，實現(xiàn)血液的順暢流動，為缺血組織提供充足的血液供應(yīng)，促進組織的修復(fù)和再生。6.1.2組織修復(fù)與再生光交聯(lián)水凝膠在組織修復(fù)與再生領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，已成功應(yīng)用于骨、軟骨、皮膚等多種組織的修復(fù)，為解決臨床上組織損傷和缺損的難題提供了新的策略。在骨組織修復(fù)方面，含有生物活性因子的光交聯(lián)水凝膠能夠有效促進骨再生。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）是一種對骨組織再生具有關(guān)鍵作用的生長因子。將BMP負載到光交聯(lián)水凝膠中，如甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠或聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠，可以構(gòu)建具有骨誘導(dǎo)活性的骨組織工程支架。在動物實驗中，將這種負載BMP的光交聯(lián)水凝膠支架植入大鼠顱骨缺損模型中，結(jié)果顯示，實驗組骨缺損部位的新骨形成量明顯高于對照組。這是因為BMP能夠刺激成骨細胞的增殖和分化，促進成骨細胞合成骨基質(zhì)蛋白，如Ⅰ型膠原蛋白和骨鈣素等，同時還能誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，增加成骨細胞的數(shù)量，從而加速骨缺損的修復(fù)進程。光交聯(lián)水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠為骨細胞提供物理支撐，促進骨細胞的黏附和生長，有利于骨組織的修復(fù)和再生。在軟骨組織修復(fù)中，光交聯(lián)水凝膠也取得了顯著的成果。上海交通大學(xué)林秋寧/周廣東團隊設(shè)計的新型雜化光交聯(lián)水凝膠系統(tǒng)，通過將光致亞胺交聯(lián)策略和傳統(tǒng)的光引發(fā)自由基聚合交聯(lián)策略結(jié)合，實現(xiàn)一次光照秒級構(gòu)建高強、高粘的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)異的生物相容性與生物降解性，較低的免疫炎癥反應(yīng)，能夠作為支架材料包裹軟骨細胞，成功應(yīng)用于大動物（豬）負重區(qū)關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)。實驗結(jié)果表明，植入該水凝膠后，豬關(guān)節(jié)負重區(qū)的軟骨缺損處基本被新生的透明軟骨組織覆蓋，呈現(xiàn)出軟骨特異性染色和典型的軟骨陷窩結(jié)構(gòu)，并且與周圍正常軟骨組織實現(xiàn)了良好的整合，有效恢復(fù)