清華大學：貽貝啟發(fā)的天然雙網絡水凝膠及在生物3D打印中的應用

近日,，清華大學孫偉教授,、彌勝利教授、郭忠偉博士在ACS Biomaterials Science& Engineering發(fā)表了一篇關于受貽貝啟發(fā)的天然雙網絡水凝膠及在生物3D打印中的應用研究：Mussel-inspired naturallyderived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft,injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels,。這是該組第二次報道這種雙網絡水凝膠,，并首次應用在3D打印中。

貽貝為什么能粘在礁石上
貽貝一生中的絕大部分時候,，都并不令人神往,。這些擁有成對貝殼的軟體動物，是“法式青口”的主要材料,。它們大半生都粘附在巖石上,，通過過濾流經的海水來獲取食物。但有些科學家卻愿意花費多年時間來研究這些“簡單”的生物,，仔細觀察它們靜態(tài)的生活方式,，探究它們身上最大的秘密：就算周圍不斷有水流沖擊，貽貝也總是能牢牢地貼在濕潤的,、滑溜溜的巖石上,，它們是怎么做到的？

貽貝會通過某種類似于注塑生產的生理過程,，制造出像頭發(fā)一樣纖細的足絲,。它們強健的足部會生出溝渠,，而它們會把液態(tài)的蛋白質擠壓到溝渠里，只需幾秒鐘時間,，就能形成一條穩(wěn)固的線狀物,。每條線狀物的端點上都有一個粘性的“軟墊”，可以牢牢地吸附在巖石上,，或者其他任何貽貝想要貼附的堅硬表面上,。

貽貝的足絲

研究者把足絲、粘性軟墊和生產它們的腺體里的蛋白質鏈條破壞,，仔細進行觀察,。在這三種結構里，他都能找到同一種罕見的氨基酸——“左旋多巴”（L-dopa,，或稱為3,4-二羥苯丙氨酸）,。
左旋多巴分子的關鍵結構，是鄰苯二酚側鏈,，它是由一個苯環(huán)和連接在苯環(huán)上的兩個羥基組成的,。而這些羥基會和巖石、船殼以及任何貽貝試圖貼附的東西結合在一起,。
繼韋特的發(fā)現(xiàn)之后,，其他科學家也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多種不同的貽貝“膠水”。它們都含有左旋多巴�,，F(xiàn)在這些物質被統(tǒng)稱為“貽貝粘著蛋白”（mussel adhesive proteins）,，簡稱MAPs。

受貽貝啟發(fā)的水凝膠
近年來,，水凝膠的研究得到了迅速發(fā)展,。但與一些天然的凝膠類生物組織相比，例如肌肉,，軟骨,，血管等，目前合成的天然高分子水凝膠在機械性能以及可調控的物化性質方面仍然存在不足,。生物啟發(fā)類的設計作為一種更高層次的材料結構及功能設計方法目前得到了越來越多的關注,。如上一節(jié)所科普的一樣，海洋貽貝(Mussel)可以通過足絲粘附在許多有機或無機材料上,，這種特殊的生物粘附系統(tǒng)具有很高的硬度,、彈性、抵抗損傷和自我修復的功能,，研究表明鄰苯二酚基團在其中發(fā)揮著重要作用,，受它啟發(fā)的仿生水凝膠越來越受到人們的重視。

清華大學孫偉教授課題組首先探究了基于不同化學及物理交聯(lián)機制的單網絡(Single-network)水凝膠, 包括鄰苯二酚-鐵離子配位交聯(lián)，鄰苯二酚-鄰苯二醌共價交聯(lián),，鄰苯二酚-巰基/氨基的共價交聯(lián),，海藻酸鈉-鈣離子的離子交聯(lián)等，并以其為基本構建單元進一步合成具有優(yōu)異機械性能的雙網絡(Double-network)水凝膠,。

受貽貝啟發(fā)的水凝膠構建策略

高強度水凝膠結構打印
生物3D打印作為一種新型制造方式有望在組織工程以及再生醫(yī)學中發(fā)揮巨大作用,，但如何利用天然水凝膠打印高強度的復雜結構仍然需要更多探究�,；�于以上對不同單交��(lián)網絡的性質研究，通過組合不同的交聯(lián)策略,，以適應擠出式3D打印的打印過程,。最后合成出了一系列含水量超過95%，打印存活率超過90%,，固化后斷裂強度大于5 MPa,，壓縮模量0.7 MPa，斷裂伸長率≥400%的雙網絡生物墨水材料,，并成功打印了不同規(guī)格的網格,，圓環(huán)，類人類鼻子,，類人類耳朵等結構,。研究結果為高強度天然高分子水凝膠的合成提供了研究思路，包括不同交聯(lián)機制的互補性及可調控性等,，也為如何馴服此類水凝膠作為3D打印材料提供了借鑒,。

貽貝啟發(fā)的雙網絡水凝膠機械性能表征

雙網絡水凝膠的壓縮回彈

3D打印雙網絡水凝膠

雙網絡水凝膠的自愈合能力

參考文獻
1. Guo, Zhongwei, Jingjing Xia, Shengli Mi, and Wei Sun. "Mussel-inspired naturally derived double-network hydrogels and its application in 3D printing: from soft, injectable bioadhesives to mechanically strong hydrogels." ACS Biomaterials Science & Engineering (2020).
2. Guo, Zhongwei, Shengli Mi, and Wei Sun. "The multifaceted nature of catechol chemistry: bioinspired pH-initiated hyaluronic acid hydrogels with tunable cohesive and adhesive properties." Journal of Materials Chemistry B 6, no. 39 (2018): 6234-6244.
3. 貽貝為什么能粘在礁石上？（https://www.guokr.com/article/440331/?_t_t_t=0.07321043964475393）