大家好，今天我们来聊聊生物墨水那些事儿。这篇《Physical and Chemical Factors Influencing the Printability of Hydrogel-based Extrusion Bioinks》文章发表于《Chemical Reviews》上。生物墨水在生物打印中至关重要，它的可打印性决定了能否成功打印出我们想要的组织或器官。影响生物墨水可打印性的因素有很多，比如流变学性质、化学结构、打印参数等。了解这些因素对于开发更优质的生物墨水、推动生物打印技术的发展具有重要意义。接下来，我们将详细探讨这些因素，希望能让大家对生物墨水有更深入的了解。
*本文只作阅读笔记分享*
一、引言
组织工程领域对能够生物打印各种组织或器官的生物材料有很高的需求。生物打印中使用的材料，即生物墨水，需要满足一系列严格的要求，包括生物相容性、非毒性、能悬浮细胞、提供生物活性和细胞附着位点、具有适当的机械性能、允许营养物质和氧气扩散以及具有可打印性等。
可打印性是生物墨水的一个关键特性，它指的是生物墨水在生物打印过程中能够被顺利挤出并形成所需形状的能力。然而，目前可用的生物墨水仍然存在许多限制，因此需要深入研究影响生物墨水可打印性的因素，以开发出更适合生物打印的生物墨水。
二、可打印性
（一）定义
可打印性是指 “材料在特定的打印条件下能够被打印，且打印结果对于特定应用是理想的能力”。在最广泛的意义上，可打印性仅仅是指能够被打印的能力，但在本笔记中，将其定义为生物墨水在生物打印过程中独特的要求，包括挤出性、细丝分类、形状保真度和打印精度等方面。
（二）考虑因素
挤出性：指生物墨水能够容易地通过小直径喷嘴挤出的能力，这会影响总处理时间和细胞活力。直接测量挤出性的实验较少，通常通过流变学表征来间接评估，如粘度、剪切稀化常数等与挤出性密切相关。
细丝分类：研究者通过将生物墨水挤出到空气中而不是基板上，然后根据挤出材料的形状（如液滴或细丝）来进行分类。通常通过定性观察挤出的生物墨水在空气中形成的细丝形状来分类，如液滴、光滑细丝或非光滑细丝。定量评估则通过测量细丝的周长、宽度等参数来进行。
形状保真度：指生物墨水在沉积后保持其形状的能力。通常通过测量沉积后的细丝宽度、高度、纵横比等参数来评估形状保真度。
打印精度：通过测量细丝的高度、宽度、孔隙大小以及观察细丝的合并情况等来评估。通过测量打印后的细丝尺寸（如宽度、高度）与设计尺寸的差异，以及观察细丝之间的合并情况等来评估打印精度。
三、与打印结果相关的流变学性质
（一）常见流变学测量
Shear - thinning behavior（剪切稀化行为）：生物墨水的粘度通常随着剪切速率的增加而降低，表现出剪切稀化行为。
Viscoelastic and yielding behavior（粘弹性和屈服行为）：通过应变或应力扫描可以测量生物墨水的 G'（储能模量）和 G"（损耗模量），从而评估其粘弹性和屈服应力。
Recovery behavior（恢复行为）：通过施加不同的剪切速率来模拟挤出过程，可以测量生物墨水的恢复行为。
（二）挤出性与流变学性质的关系
直接测量挤出性的实验较少，通常通过流变学表征来间接评估。例如，较高的粘度会导致较低的挤出性，因为需要更大的力量来挤出高粘度的生物墨水。通过流变学测试得到的粘度等参数与挤出性密切相关，许多因素可以影响生物墨水的粘度，如温度、时间、溶剂、制备方法和水凝胶的组成等。
（三）细丝分类与流变学性质的关系
很少有流变学研究直接与细丝形成结果相关，但一些趋势表明，通过增加水凝胶浓度、离子交联和热凝胶化等可以实现从液滴到光滑细丝的转变。例如，Schuurman 等人的研究表明，GelMA -生物墨水仅在浓度高达 20％（w /v）时形成液滴，而添加 2.4％（w /v）的透明质酸后可形成光滑细丝。
（四）形状保真度与流变学性质的关系
生物墨水的形状保真度与许多流变学参数有关，如粘度、粘弹性、屈服应力和恢复能力等。
四、与打印结果相关的工艺参数
（一）工艺参数的影响
工艺参数如喷嘴直径、挤出压力、喷嘴高度、进料速率和恢复时间等会影响打印结果，包括线宽、线高、角落分辨率、角落规律性、孔隙大小和细丝水平保持等。增加喷嘴直径、挤出压力和喷嘴高度通常会导致线宽增加，而增加恢复时间和减少进料速率会导致线宽减小；增加挤出压力和进料速率会导致线高增加，而增加喷嘴高度会根据情况对线高产生不同的影响。
通过调整工艺参数可以改善生物墨水的打印性能，如减少线宽和增加线高可以提高打印精度和形状保真度。例如，在一些研究中，通过优化工艺参数，如选择合适的喷嘴直径、控制挤出压力和进料速率等，可以实现更精确的打印。
五、化学策略：物理相互作用
（一）氢键
Phenolic Compound - Based Interaction（基于酚类化合物的相互作用）：例如，Shin 等人报道了通过没食子酸共轭的透明质酸（HA - Ga）与富含没食子酸的交联剂（OEGCG）之间的多重没食子酸 - 没食子酸和没食子酸-HA氢键相互作用，形成了具有剪切稀化和自愈合特性的水凝胶。流变学研究表明，该水凝胶的存储模量（G'）和损失模量（G"）与 [D - 葡萄糖醛酸 - D - N - 乙酰葡糖胺] / [OEGCG 中没食子酸] 的化学计量比有关，在特定比例下，G' 值可达 341.6 ± 53.6 Pa。此外，该水凝胶在交替应变下表现出良好的恢复性能，并且可以通过 26G 针头注射。
Ureidopyrimidinone Self - complementary Dimerization（尿嘧啶嘧啶酮自互补二聚化）：例如，Zhang 等人合成了一种含有中间聚（乙二醇）嵌段（A）和末端聚（N - 异丙基丙烯酰胺）嵌段（PNIPAm）的 ABA triblock 共聚物（UNONU），其中 PNIPAm 嵌段中引入了 Upy 基团。Upy 基团可以通过自互补四氢键相互作用形成动态交联网络，使共聚物在21℃下表现出温度响应性的溶胶-凝胶转变。与不含有Upy基团的NON共聚物相比，UNONU 共聚物水凝胶具有快速自愈合性能、典型的粘弹性行为和可注射性。
（二）主客体相互作用
Cyclodextrin - Mediated Supramolecular Interaction（环糊精介导的超分子相互作用）：例如，Xu 等人开发了一种通过β-环糊精（β- CD）-金刚烷（Ad）主客体相互作用形成的自组装导电水凝胶。PEDOT : S-Alg-Ad 聚合物通过氧化聚合形成，其中 S-Alg-Ad 聚合物中的Ad基团与β- CD形成包合物，从而形成动态交联网络。该水凝胶表现出剪切稀化行为、可注射性和快速自愈合性能。
Cucurbit [n] uril - Mediated Supramolecular Interaction（葫芦脲 [n] 介导的超分子相互作用）：例如，Tan 等人开发了一种基于高度分支的 CB [8] - 螺纹聚轮烷（HBP - CB [8]）和线性萘基功能化羟乙基纤维素（HECNp）的超分子水凝胶。通过两种策略（HBP - CB [8]@HECNp 和 LP@CB [8]@HECNp）可以形成水凝胶网络，其中 HBP - CB [8]@HECNp 水凝胶具有更高的模量和粘度，并且可以通过光控制实现物理和化学交联状态的可逆切换。
（三）金属 - 配体配位
Bisphosphonates（双膦酸盐）：例如，Shi 等人报道了通过双膦酸盐共轭的透明质酸（HA - BP）与 Ca²⁺离子的配位作用形成的超分子水凝胶。该水凝胶具有剪切稀化和快速自愈合特性，能够通过打印机喷嘴挤出形成自支撑的 3D 结构。流变学分析表明，水凝胶的 G' 和 G" 值与 AEM 和 TM 等金属离子的种类和浓度有关，并且具有良好的恢复能力。
Carboxylates（羧酸盐）：例如，Zhang 等人制备了 UPy - 共轭的明胶基（Upy - gelatin）水凝胶，其中 Fe³⁺ -羧酸盐配位和 UPy 自互补二聚体的四重氢键相互作用共同提高了水凝胶的机械强度和自愈合能力。
Catechols（儿茶酚）：例如，Li 等人制备了一种通过将氧化铁（Fe₃O₄）纳米颗粒掺入到儿茶酚改性的 4臂PEG 基质中形成的动态水凝胶。该水凝胶通过儿茶酚 - Fe³⁺配位作用表现出动态流变和机械行为。
Histidine（组氨酸）：例如，Grindy 等人展示了组氨酸（His）与过渡金属离子（如 Ni²⁺、Cu²⁺和 Co²⁺）形成的复合物可以调节水凝胶的粘弹性性质。通过改变金属离子的种类，可以实现水凝胶性质的调控。
六、化学策略：动态共价键
（一）亚胺键
例如，Wang 等人报道了一种基于乙二醇壳聚糖（GC）和二苯甲醛功能化聚乙二醇（DF - PEG）的动态水凝胶。该水凝胶通过亚胺键形成动态交联网络，在1分钟内即可形成水凝胶，并且具有可注射性和自愈合性能。
（二）腙键
例如，Wang 等人开发了一种可注射的水凝胶，通过肼改性的弹性蛋白样蛋白（ELP - HYD）与醛基改性的透明质酸（HA - ALD）之间的腙键形成动态交联网络。该水凝胶在生理温度（37℃）下具有快速的自愈合性能，并且可以通过注射器注射。
（三）肟键
例如，Nadgorny 等人制备了一种基于聚（n-羟乙基丙烯酰胺-共-甲基乙烯基酮）（PHEAA - co - PMVK）和四乙烯基乙二醇双羟基胺（TEG - BHA）的肟基水凝胶。该水凝胶表现出剪切稀化行为，可稳定挤出，并且具有快速的自愈合性能。
（四）二硫键
例如，Yu 等人报道了一种通过硫醇官能化的 Pluronic F127 和二硫代烷改性的 PEG 形成的可注射自愈合水凝胶。该水凝胶在剪切应力下表现出可逆的溶胶-凝胶转变行为。
（五）硼酸酯键
例如，Pettignano 等人开发了一种基于苯硼酸（PBA）修饰的海藻酸盐的水凝胶，该水凝胶通过硼酸酯键形成动态交联网络，具有剪切稀化、自愈合和刺激响应特性。通过调节 PBA 的 pKa 值，可以改善水凝胶在生理条件下的稳定性。
七、化学策略：纳米复合水凝胶
（一）纳米碳基水凝胶
Carbon Nanotubes（碳纳米管）：例如，Mansukhani 等人展示了基于单壁碳纳米管（SWCNT）和 DNA 碱基配对相互作用的纳米复合水凝胶。通过设计特定的 DNA linker，实现了 SWCNT 的分散和交联，形成了具有多孔结构的纳米复合水凝胶。该水凝胶表现出剪切稀化行为和可调节的粘弹性。
Graphene - Based Nanomaterials（石墨烯基纳米材料）：例如，Liu 等人报道了一种基于海藻酸盐和氧化石墨烯（A - aGO）的纳米复合水凝胶。A - aGO 通过与 Ca²⁺离子的配位作用和与海藻酸盐的静电和氢键相互作用，增强了水凝胶的结构和性能。该水凝胶表现出剪切稀化行为和良好的形状保真度，可用于打印具有自支撑能力的 3D 结构。
（二）金属碳酸盐基水凝胶
Calcium Carbonates（碳酸钙）：例如，Sun 等人通过在聚丙烯酸（PAA）溶液中依次加入 Ca²⁺离子和 CO₃²⁻离子，原位合成了无定形碳酸钙（ACC）纳米粒子增强的 PAA 水凝胶。该水凝胶具有可调节的力学性能、形状可变性和快速的自愈合能力。流变学测试表明，该水凝胶具有剪切稀化、触变性和温度依赖性的粘弹性行为。
Other Alkaline Earth Metal and Transition Metal Carbonates（其他碱性地球金属和过渡金属碳酸盐）：例如，Schupp 等人通过用其他碱性地球金属（如 Mg²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺和 Zn²⁺）和过渡金属离子替代 Ca²⁺离子，制备了一系列金属碳酸盐 / PAA 纳米复合水凝胶。这些水凝胶表现出类似于 ACC/PAA 水凝胶的行为，具有高的 G' 和 G" 值、剪切稀化行为和快速的自愈合能力。
（三）纳米粘土和二氧化硅基水凝胶
Laponites（纳米粘土）：例如，Wilson 等人报道了一种基于κ-卡拉胶（κCA）和 2D Laponite 纳米粘土（nSi）的纳米复合生物墨水。nSi 通过与 κCA 的相互作用，形成了具有热可逆性、剪切稀化和自愈合特性的生物墨水。该生物墨水在 3D 打印中表现出良好的性能，可用于构建复杂的 3D 结构。
Silica Nanoparticles（二氧化硅纳米颗粒）：例如，Lee 等人将亚氨基修饰的二氧化硅纳米颗粒（AmNPs）掺入到海藻酸盐 / 结冷胶（Alg/gellan）聚合物混合物中，制备了具有改善的机械刚度、可打印性和打印保真度的纳米复合水凝胶。流变学测试表明，AmNPs 的加入显著增强了剪切稀化行为和零剪切粘度。
（四）金属基水凝胶
Gold Nanoparticles（金纳米颗粒）：例如，Qin 等人设计了一种基于金纳米颗粒（GNP）的近红外（NIR）响应性自愈合纳米复合水凝胶。GNP 表面通过形成动态 RS - Au 配位键进行功能化，然后与N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）进行聚合，形成水凝胶。该水凝胶在 NIR 照射下表现出可注射性和自愈合性能，可用于构建复杂的3D结构。
参考文献：
Lee SC, et al. Physical and Chemical Factors Influencing the Printability of Hydrogel-based Extrusion Bioinks. Chem Rev. 2020 Oct 14;120(19):10834-10886.
