刘文广课题组AFM：自增稠/自增强3D打印耐溶胀高强度超分子聚合物水凝胶半月板替代物

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3D打印高强度水凝胶在定制个性化承载组织替代物方面具有巨大应用潜能。目前，研究人员已经构建了一系列3D打印高强度水凝胶，但大多耐溶胀性能较差，无法在水环境中保持稳定的力学性能和尺寸，不利于在生理环境中的应用。聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA）超分子聚合物水凝胶具有优良的力学性能和溶胀稳定性，但直接打印超分子聚合物水凝胶存在力学强度和可打印性的trade-off问题（低强度，容易打印，高强度，难以打印），限制了其在构建组织替代物方面的应用。
       针对上述问题，利用PNAGA超分子聚合物水凝胶浓度依赖性的氢键增强机理，天津大学刘文广教授课题组提出了一种自增稠/自增强策略来实现高强度超分子聚合物水凝胶的3D打印。将高浓度的N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）单体负载到低浓度的PNAGA热可逆软凝胶中，构建PNAGA+NAGA“自增稠”3D打印墨水，软PNAGA凝胶起到增稠作用，赋予打印性，制品打印后再聚合预先加入的“休眠”的高浓度NAGA单体，后补偿的高浓度NAGA聚合后形成高密度的氢键交联，对软PNAGA凝胶起到显著的补强作用，因此最终打印的水凝胶可保持高的力学强度，巧妙地解决了可打印和高强度不可调和的矛盾，极大拓宽了材料性能的可调范围。此外，“自增稠”策略具有普适意义，可以实现带不同侧基的聚合物（中性、阴离子、两性离子）水凝胶的3D打印，有望进一步拓宽水凝胶的应用范围。

水凝胶

图1.自增稠/自增强3D打印高强度PNAGA超分子聚合物水凝胶示意图

       3D打印PNAGA水凝胶保持较高的力学强度，在水中耐溶胀，将其用作半月板替代物，结果显示：植入4 w后，材料仍位于植入部位，且相比于半月板切除组，植入组的关节软骨磨损程度减弱，说明3D打印PNAGA水凝胶半月板替代物对关节软骨起到了有效的保护作用。

水凝胶

图2.(a) 3D打印 PNAGA水凝胶半月板替代物及植入示意图；(b) 半月板替代物植入手术流程；(c) 术后4 w，股骨与胫骨关节软骨的大体观察图片；(d) 术后4 w，股骨与胫骨关节软骨的组织学分析（标尺：500 μm）

       徐子扬博士生为该论文的第一作者，刘文广教授为通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划（基金号：2018YFA0703100）和国家自然科学重点基金（基金号：51733006）的资助。
        论文链接：
        https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202100462
        DOI: 10.1002/adfm.202100462


       文章来源：天津大学
       刘文广教授于天津大学获学士、硕士和博士学位，毕业后在天津大学材料学院高分子系工作，2005.3-2006.12加拿大渥太华大学医学院博士后研究员，2004.3-2004.11香港理工大学Research Associate，2003.7-2004.1香港大学医学院骨科系访问学者。主要从事水凝胶和纳米药物/基因载体等生物医用高分子材料研究。在Progress in Polymer Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Science，Biomaterials等国际著名材料类期刊发表150余篇论文，申请中国发明专利25项，授权15项。获天津市自然科学一等奖一项，2013年获国家杰出青年科学基金，2014年获得天津大学教书育人标兵称号，2014年获得天津市五一劳动奖章称号，2016年获国务院政府特殊津贴专家称号。