3D打印水凝膠與工程納米晶域功能血管結(jié)構(gòu)

來(lái)源： 高分子物理學(xué)

3D打印水凝膠是一種通過(guò)添加劑制造技術(shù)，能夠精確構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。結(jié)合工程納米晶域，能夠增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能和生物相容性,，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生,。

在功能血管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，這種技術(shù)能創(chuàng)造出類似于自然血管的微環(huán)境,，支持細(xì)胞的代謝活動(dòng),，同時(shí)提高輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的能力,，從而為再生醫(yī)學(xué)提供了新的前景。通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝和材料特性,，研究者可以實(shí)現(xiàn)具有生物活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的功能血管網(wǎng)絡(luò),，助力于修復(fù)受損組織和器官。

背景
人工血管

多是以尼龍,、滌綸,、聚四氟乙稀等合成材料人工制造的，用于血管重建等血管疾病的外科治療,。

性能要求

• 良好的生物相容性和血液相容性
• 一定的機(jī)械強(qiáng)度
• 具有適當(dāng)?shù)慕到馑俾?li>有望實(shí)現(xiàn)規(guī)�,；�生產(chǎn)且可儲(chǔ)存
  

目前的問(wèn)題

在常規(guī)材料制備過(guò)程中，難以實(shí)現(xiàn)小尺寸及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密構(gòu)造,。為了解決這一問(wèn)題,，采用了光固化成型的3D打印技術(shù)。該技術(shù)能夠更精準(zhǔn)地制造出所需結(jié)構(gòu),。

然而,，3D打印后所生成的小分子可能難以去除，并且大部分水凝膠也顯得較為脆弱,。這使得維持通過(guò)線纜穿刺移植后的人體長(zhǎng)期穩(wěn)定性變得更加困難,。因此，研究者們開(kāi)始探索使用大分子水凝膠,，以提高前驅(qū)體的性能和穩(wěn)定性,，從而改善這一挑戰(zhàn)。

改進(jìn)方法

聚乙烯醇-甲基丙烯酸水凝膠（PVA-GMA）的合成過(guò)程包括多個(gè)關(guān)鍵步驟,。首先,，進(jìn)行水凝膠的成型，確保材料的初步結(jié)構(gòu)和功能特性,。接下來(lái),，引入晶域誘導(dǎo)技術(shù)，以優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu),。

在優(yōu)化過(guò)程中,，設(shè)計(jì)合適的構(gòu)架是至關(guān)重要的，這將直接影響水凝膠的性能,。同時(shí),，表面改性也不可忽視，通過(guò)改善材料表面的性質(zhì),，進(jìn)一步提升其功能性,。

基于PVAGMA的DLP 3D打印技術(shù)
基于宏分子前體PVAGMA的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，首先是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將聚乙烯醇（PVA）與甲基丙烯酸（GMA）結(jié)合,，形成前驅(qū)體,。接下來(lái),，通過(guò)DLP 3D打印過(guò)程，將此前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為水凝膠,。

在此過(guò)程中,，確定合適的分子量（Mw）和取代度（DOS）尤為重要。研究表明,，較低的DOS可能會(huì)導(dǎo)致P-PVA水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度下降,，使其在打印過(guò)程中難以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而較高的DOS雖可能減少水凝膠的連通性和鏈遷移率,，反而有助于提高材料的交聯(lián)度和結(jié)晶。

聚乙烯醇基水凝膠的改性
本研究探討了基于聚乙烯醇（PVA）的水凝膠的改性及其性能表現(xiàn),。首先,，通過(guò)不同的制備方法，如冷凍-解凍,、鹽析等,，對(duì)樣品進(jìn)行3D打印，獲得了不同結(jié)構(gòu)的水凝膠,。在力學(xué)性能測(cè)試中,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)堿處理的水凝膠（AP-PVA）在抗拉強(qiáng)度和維度變化方面表現(xiàn)良好,，顯示出優(yōu)越的機(jī)械性能,。

利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和差示掃描量熱法（DSC）對(duì)水凝膠的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明,，PVA的晶體結(jié)構(gòu)在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生了變化,，指示物質(zhì)的相轉(zhuǎn)變。同時(shí),，通過(guò)調(diào)整OH基團(tuán)的引入,，成功改善了材料的力學(xué)性能與水分吸收能力。

在應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試中,，PVA和AP-PVA的表現(xiàn)差異顯著,，尤其是在循環(huán)拉伸和凹陷實(shí)驗(yàn)中，AP-PVA展示了更好的拉伸強(qiáng)度和耐久性,。這些研究表明,，通過(guò)合適的改性手段，可以有效提升聚乙烯醇基水凝膠的物理性能,，為其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要依據(jù),。

AP-PVA水凝膠的性能優(yōu)化
本研究重點(diǎn)分析了改性聚乙烯醇（PVA）水凝膠（AP-PVA）的結(jié)構(gòu)與性能。通過(guò)對(duì)比不同處理的水凝膠,，觀察到AP-PVA在力學(xué)性能和抗拉強(qiáng)度方面表現(xiàn)出顯著提升,。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示,，AP-PVA表現(xiàn)出更為豐盈的孔結(jié)構(gòu)，有助于提升其生物相容性和力學(xué)性能,。

衍射圖譜分析表明,，AP-PVA的晶體尺寸優(yōu)化，有助于提高材料的整體強(qiáng)度,。同時(shí),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在循環(huán)拉伸測(cè)試中,，AP-PVA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)優(yōu)越,，相比于未處理的PVA，具有更高的抗拉強(qiáng)度和韌性,。此外,，AP-PVA在細(xì)雷管和與生物組織相容性測(cè)試中也顯示出良好的性能，能夠承受高達(dá)257±26 kPa的破裂壓力,。

該研究為AP-PVA在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),，證明其在各種應(yīng)力條件下的適應(yīng)能力和優(yōu)越的機(jī)械性能，展示了廣闊的應(yīng)用前景,。

成果
人工血管在不同體內(nèi)環(huán)境中的研究
本研究展示了利用聚乙烯醇基材料（AP-PVA）制備的人造血管,，這些血管具有直徑為0.75毫米的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，模擬了人體小血管的特性,。通過(guò)3D打印技術(shù),，研究者成功構(gòu)建了多支主動(dòng)脈及其分支，形成了精確的動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò),，以便于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,。

研究還探討了在不同環(huán)境下的血液流動(dòng)特性，重點(diǎn)分析了血液在靜脈與動(dòng)脈的輸送過(guò)程,。實(shí)驗(yàn)表明,，在循環(huán)過(guò)程中，液體的流動(dòng)模式會(huì)受到不同環(huán)境因素的影響,，成功觀察到流體的反向流動(dòng)和血栓形成現(xiàn)象,。通過(guò)壓力和流量的監(jiān)測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)記錄了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的流動(dòng)變化,。

這些結(jié)果為未來(lái)開(kāi)發(fā)高性能仿生血管和管理血流動(dòng)態(tài)提供了重要依據(jù),，并且有助于改善體外實(shí)驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性，為人工血管在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

改進(jìn)表面特性以優(yōu)化人工血管的血液相容性
本研究探討了聚乙烯醇基駢腺苷（AP-PVA-G）水凝膠在血液相容性方面的改進(jìn),，旨在提升其在人工血管中的應(yīng)用效果。利用CDI（1,1'-碳二亞胺）對(duì)水凝膠進(jìn)行改性,，結(jié)果表明,，AP-PVA-G水凝膠具備更均勻的內(nèi)皮細(xì)胞貼附特性,，顯示出優(yōu)異的低血栓形成能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，AP-PVA-G的蛋白質(zhì)吸附能力較低,，且在循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中未觀察到細(xì)胞損傷，表明其具有良好的血液兼容性,。此外,，顯微鏡觀察結(jié)果證實(shí)，在不同時(shí)間點(diǎn)（1周,、2周和4周）,，AP-PVA-G在體內(nèi)的生物相容性表現(xiàn)穩(wěn)定，內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞保持了正常的形態(tài),。

綜上所述,，通過(guò)表面修飾，AP-PVA-G水凝膠顯示出在低血栓形成和改善長(zhǎng)時(shí)間通透性方面的潛力,，使其具備更好的體內(nèi)安全性，為未來(lái)的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),。

結(jié)論
本文提出了通過(guò)3D打印,、并使用基于PVA的大分子前驅(qū)體墨水來(lái)制造堅(jiān)固的水凝膠血管結(jié)構(gòu)的策略，同時(shí)通過(guò)引入納米晶結(jié)構(gòu)域來(lái)顯著地增強(qiáng)韌性和強(qiáng)度,，從而滿足血管結(jié)構(gòu)的要求,，包括高保真度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,，機(jī)械堅(jiān)固性,，同時(shí)通過(guò)表面改性手段改善長(zhǎng)期植入引發(fā)的血栓，提高血液相容性,。體外和體內(nèi)研究已經(jīng)證明了功能性血管置換的前景,，以及其良好的瓣膜結(jié)構(gòu)，可以精細(xì)地調(diào)節(jié)內(nèi)部血流,。