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    天津大學劉文廣教授課題組AFM:自增稠/自增強3D打印耐溶脹高強度超分子聚合物水凝膠半月板替代物
    2021-02-27  來源:高分子科技

      3D打印高強度水凝膠在定制個性化承載組織替代物方面具有巨大應用潛能。目前,研究人員已經構建了一系列3D打印高強度水凝膠,但大多耐溶脹性能較差,無法在水環境中保持穩定的力學性能和尺寸,不利于在生理環境中的應用。聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)超分子聚合物水凝膠具有優良的力學性能和溶脹穩定性,但直接打印超分子聚合物水凝膠存在力學強度和可打印性的trade-off問題(低強度,容易打印,高強度,難以打印),限制了其在構建組織替代物方面的應用。


      針對上述問題,利用PNAGA超分子聚合物水凝膠濃度依賴性的氫鍵增強機理,天津大學劉文廣教授課題組提出了一種自增稠/自增強策略來實現高強度超分子聚合物水凝膠的3D打印。將高濃度的N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)單體負載到低濃度的PNAGA熱可逆軟凝膠中,構建PNAGA+NAGA“自增稠”3D打印墨水,軟PNAGA凝膠起到增稠作用,賦予打印性,制品打印后再聚合預先加入的“休眠”的高濃度NAGA單體,后補償的高濃度NAGA聚合后形成高密度的氫鍵交聯,對軟PNAGA凝膠起到顯著的補強作用,因此最終打印的水凝膠可保持高的力學強度,巧妙地解決了可打印和高強度不可調和的矛盾,極大拓寬了材料性能的可調范圍。此外,“自增稠”策略具有普適意義,可以實現帶不同側基的聚合物(中性、陰離子、兩性離子)水凝膠的3D打印,有望進一步拓寬水凝膠的應用范圍。


    圖1. 自增稠/自增強3D打印高強度PNAGA超分子聚合物水凝膠示意圖


      3D打印PNAGA水凝膠保持較高的力學強度,在水中耐溶脹,將其用作半月板替代物,結果顯示:植入4 w后,材料仍位于植入部位,且相比于半月板切除組,植入組的關節軟骨磨損程度減弱,說明3D打印PNAGA水凝膠半月板替代物對關節軟骨起到了有效的保護作用。


    圖2. (a) 3D打印 PNAGA水凝膠半月板替代物及植入示意圖;(b) 半月板替代物植入手術流程;(c) 術后4 w,股骨與脛骨關節軟骨的大體觀察圖片;(d) 術后4 w,股骨與脛骨關節軟骨的組織學分析(標尺:500 μm)


      徐子揚博士生為該論文的第一作者,劉文廣教授為通訊作者。該項工作得到國家重點研發計劃 (基金號:2018YFA0703100)和國家自然科學重點基金 (基金號:51733006)的資助。


      原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202100462

      DOI: 10.1002/adfm.202100462

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