編者：中噴網(wǎng) 墨宸

往期：生物打印入門：如何在家進(jìn)行生物打??？

摘要：水凝膠是由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高分子凝膠，具有吸水、自愈、彈性及刺激響應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)與人體組織細(xì)胞外基質(zhì)相似，是生物打印中理想的組織工程支架材料。合成水凝膠因化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能易控制，更適合 3D 生物打印，便于實驗和特定皮膚特性構(gòu)建，應(yīng)用廣泛。

 簡單水凝膠

水凝膠是一種由交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高分子聚合物凝膠。水凝膠由親水性單體通過鏈?zhǔn)交蛑鸩皆鲩L法合成，并添加功能性交聯(lián)劑以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)形成。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及其中的空隙缺陷增強(qiáng)了水凝膠通過氫鍵吸收大量水分的能力。因此，水凝膠具有自愈性。它們還具有堅固而又富有彈性的力學(xué)性能。自愈是指材料內(nèi)部舊鍵斷裂后自發(fā)形成新鍵的過程。自愈能力對于生物打印和人體相關(guān)系統(tǒng)極具吸引力。人體生物學(xué)是一個基于生殖和自愈機(jī)制的系統(tǒng)，因此對自愈劑和材料的需求至關(guān)重要。

水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其能夠發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)其組成成分，它們對包括加熱、pH值、光照和其他化學(xué)試劑在內(nèi)的各種刺激具有響應(yīng)性。理解水凝膠的關(guān)鍵特性在于其能夠捕獲水分，同時保持其化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)，從而維持其三維結(jié)構(gòu)。

工程水凝膠

三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于3D打印至關(guān)重要。水凝膠在生物打印中的主要用途是作為組織工程的支架。組織工程是指結(jié)合材料、工程技術(shù)和細(xì)胞來改善或替代生物器官。這需要找到合適的細(xì)胞類型，并在適宜的條件下將其培養(yǎng)在合適的支架中。水凝膠是一種極具吸引力的支架材料，因為它們的結(jié)構(gòu)與許多組織的細(xì)胞外基質(zhì)相似，通常可以在相對溫和的條件下進(jìn)行加工，并且可以以微創(chuàng)的方式進(jìn)行遞送。

合成水凝膠支架

在生物工程領(lǐng)域，利用水凝膠構(gòu)建支架可通過兩種方法實現(xiàn)：天然來源和合成來源。對于3D生物打印愛好者而言，合成方法更具優(yōu)勢。這些方法在化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面易于控制，從而可以實現(xiàn)對材料性能的可調(diào)控。在家庭環(huán)境中，合成生物工程是開展3D生物打印相關(guān)項目的最可行途徑，也更便于進(jìn)行實驗。此外，利用易于操控的合成水凝膠，也更容易針對身體不同部位構(gòu)建特定的皮膚特性。

總而言之，水凝膠和3D生物打印在合成方法中易于工程化材料方面具有巨大的優(yōu)勢。這使得水凝膠材料的應(yīng)用范圍十分廣泛。就材料本身而言，它具有極佳的性能，并賦予我們極大的靈活性。我們將在下一篇文章中討論不同的3D生物打印裝置。這將有助于我們從機(jī)器的角度理解水凝膠及其優(yōu)勢，以及一些需要了解的局限性。

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