近年来，3D生物打印由于可以制备用于再生医学和疾病建模的具有多种细胞成分以及各种形态的3D组织模型，而在生物医学领域的应用潜力越来越大。其中，生物墨水是3D生物打印的关键一环。由于具有仿生细胞外基质 (ECM) 特性，水凝胶是目前最常用的生物墨水。然而，水凝胶生物墨水中的游离水在低温下会形成致命冰晶，这使冷冻保存打印出的结构变得十分困难。此外，游离水还存在蒸发、为细菌提供生存环境等问题。这些都极大地限制了水凝胶生物墨水的实际应用。
为解决上述问题，来自东华大学游正伟教授团队通过引入甘油来调节水的状态，开发设计了一种多功能二元甘油水凝胶生物墨水。该生物墨水以明胶作为基体，以确保生物相容性。明胶通过席夫反应与戊二醛交联，形成相对稳定的聚合物网络。席夫碱包含动态亚胺键，使交联能够可逆地解离，并在3D打印结束后重新结合。这种动态结构演变赋予水凝胶剪切稀化和自愈合特性，以确保其在室温下的可印刷性。同时，甘油、水和聚合物网络之间形成的大量氢键可以减少游离水的含量，从而显着抑制了细菌的生长、水分的挥发和生物墨水的结晶。该论文以题为“Intrinsically cryopreservable, bacteriostatic, durable glycerohydrogel inks for 3D bioprinting”发表在Matter上。
图1. 多功能二元甘油水凝胶生物墨水的研制
甘油水凝胶生物墨水的机械性能、剪切稀化和自愈合特性
硫酸铵可以通过诱导明胶分子链的疏水折叠来改善水凝胶的机械性能。与不含硫酸铵的甘油水凝胶（G0.6T）相比，在混合有硫酸铵的甘油水溶液中浸泡后，甘油水凝胶（NG0.6T）的拉伸强度和最大伸长率分别提高了2.3倍和3.5倍。亚胺键可以在3D打印的剪切力下可逆地解离，赋予甘油水凝胶剪切稀化特性，以防止细胞因挤压压力而受损（图2C ）。此外，在交替施加低和高应变的流变测试中，水凝胶表现出良好的自愈合特性，在低应变（1 %）时迅速从类凝胶行为（G'>G"）转变为高应变（500 %）时的类溶胶行为（G'<G"），并在去除应变后迅速恢复（图2D）。这两个特性赋予了水凝胶墨水在室温下的可印刷性。
图2. 甘油水凝胶生物墨水的机械性能、剪切稀化和自愈合特性
甘油水凝胶生物墨水的抗干燥和抗冻性能
作者将不含甘油的水凝胶和含甘油的水凝胶生物墨水置于37 ℃的干燥环境中，以评价其抗干燥性能。甘油水凝胶在3天内保持了高透明度、高伸长率。如图3F所示，甘油水凝胶在-80 °C下储存后仍然保持弹性。作者使用DSC进一步评估甘油水凝胶的抗冻性能。结果发现，在-100 °C至20 °C的DSC曲线中未检测到甘油水凝胶的结晶峰，这表明其具有出色的低温耐受性。
图3. 甘油水凝胶生物墨水的抗干燥和抗冻性能
甘油水凝胶生物墨水的抑菌性能
进一步，作者利用大肠杆菌（革兰氏阴性）在甘油水凝胶贴片上培养5天后活/死细菌的染色情况和细菌生长曲线评估了甘油水凝胶生物墨水的抑菌性能。结果表明，甘油水凝胶生物墨水显示出明显的抑制细菌生长的作用。这主要是由于甘油的存在降低了细菌内游离水的含量，从而导致渗透压降低，细菌细胞裂解。
图4. 甘油水凝胶生物墨水的抑菌性能
3D打印甘油水凝胶生物墨水模型的维形能力和生物相容性
作者使用甘油水凝胶生物墨水3D打印了人类心脏，在打印完成3天和21天后，心脏支架的形状保持率分别在98.07 %和78.96 %，高于普通水凝胶生物墨水。作者发现由于甘油具有低渗活性可以减少细胞内水分子的外流，甘油水凝胶生物墨水对于细胞存活和增殖十分有利。此外，作者还发现甘油水凝胶生物墨水可以在-80 ℃的条件下较好地保持细胞活力，并且甘油浓度的增加可以提高冷冻保存效果。
图5. 3D打印甘油水凝胶生物墨水模型的维形能力和生物相容性
结论
作者通过使用甘油来调节生物墨水中水的状态，成功制备出了具有优异抑菌性能、长期维形能力和低温保存能力的多功能甘油水凝胶生物墨水。该生物墨水有望促进3D生物打印在体外建模和再生医学等领域中的实际利用。
