自聚合高纏結(jié)兩性離子功能水凝膠的 3D 打印性能與強(qiáng)韌性研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

兩性離子水凝膠因防生物沾污性和生物相容性在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)潛力，但其單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度和韌性較低，且傳統(tǒng)光/熱引發(fā)聚合需引入引發(fā)劑，存在熱損傷和生物毒性風(fēng)險(xiǎn)。此外，現(xiàn)有增強(qiáng)機(jī)械性能的方法（如引入非兩性離子組分）可能降低防生物沾污性，開發(fā)無需光/熱引發(fā)、兼具高強(qiáng)度與多功能的單網(wǎng)絡(luò)兩性離子水凝膠仍是挑戰(zhàn)。   

針對上述問題，山東大學(xué)黃俊教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種自聚合高纏結(jié)磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯-多巴胺水凝膠（SBMA-DA-PE）。團(tuán)隊(duì)利用多巴胺氧化自由基聚合方法，以多巴胺同時(shí)作為聚合引發(fā)劑和動(dòng)態(tài)交聯(lián)劑，在低交聯(lián)劑含量和高單體濃度下構(gòu)建了高纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)。該水凝膠的抗壓斷裂應(yīng)力較常規(guī)兩性離子水凝膠提升10倍，抗拉斷裂應(yīng)力提升5倍，兼具自修復(fù)、防生物沾污、可3D打印（利用EFL-BP66系列擠出式生物3D打印機(jī)）等特性。機(jī)制上，網(wǎng)絡(luò)中密集的纏結(jié)點(diǎn)與非共價(jià)相互作用（如靜電作用、氫鍵）協(xié)同增強(qiáng)了力學(xué)性能和疲勞抗性。相關(guān)工作以“Self-Polymerized Tough and High-Entanglement Zwitterionic Functional Hydrogels”為題發(fā)表在《Small》上。

1. 高纏結(jié)水凝膠的制備與力學(xué)性能表征，通過自氧化聚合和紫外聚合方法，制備了SBMA-DA-PE水凝膠、PSBMA水凝膠和RH-PSBMA水凝膠，采用壓縮和拉伸測試研究其力學(xué)性能。結(jié)果表明，SBMA-DA-PE水凝膠的抗壓斷裂應(yīng)力較RH-PSBMA提升10倍（達(dá)4.7 MPa），抗拉斷裂應(yīng)力提升5倍（達(dá)210 kPa），且壓縮應(yīng)變≥90%，歸因于網(wǎng)絡(luò)中纏結(jié)點(diǎn)多于交聯(lián)點(diǎn)的高纏結(jié)結(jié)構(gòu)。      

圖1. 高纏結(jié)水凝膠的制備流程與力學(xué)性能曲線。   

2. 水凝膠的流變學(xué)與自修復(fù)特性分析，利用應(yīng)變振幅掃描和頻率掃描測試流變性能，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變循環(huán)實(shí)驗(yàn)評估自修復(fù)能力。結(jié)果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠在1500%應(yīng)變下才開始斷裂，自修復(fù)60秒后拉伸強(qiáng)度恢復(fù)至130 kPa，非共價(jià)相互作用（如靜電作用、氫鍵）使其具備快速自修復(fù)能力（5分鐘內(nèi)修復(fù)率）。      

圖2. 水凝膠的流變曲線與自修復(fù)過程表征。   

3. 水凝膠的粘附性能與機(jī)制，通過搭接剪切測試研究SBMA-DA-PE水凝膠在鈦板、玻璃等不同基材上的粘附強(qiáng)度。結(jié)果表明，其在鈦板上的粘附強(qiáng)度達(dá)450 kPa，得益于多巴胺的鄰苯二酚基團(tuán)與基材形成的金屬配位和共價(jià)鍵，以及兩性離子基團(tuán)的離子-偶極相互作用。      

圖3. 水凝膠在不同基材上的粘附強(qiáng)度與機(jī)制示意圖。   

4. 鹽響應(yīng)性與 防生物沾污性能研究，通過溶脹實(shí)驗(yàn)和蛋白質(zhì)/細(xì)菌粘附測試，分析水凝膠在不同濃度NaCl溶液中的溶脹行為及 防生物沾污能力。結(jié)果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠在1 mM NaCl溶液中溶脹率達(dá)550%，蛋白質(zhì)吸附率低于5%，細(xì)菌粘附率低于2%，高密度水化層有效阻止生物分子附著。      

圖 4. 水凝膠的流變學(xué)及自修復(fù)性能。

5. 3D打印性能與應(yīng)用場景驗(yàn)證，利用擠壓式3D打印技術(shù)制備矩形、圓柱等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，測試前驅(qū)體溶液的粘度-剪切速率關(guān)系。結(jié)果表明，SBMA-DA-PE水凝膠在預(yù)交聯(lián)時(shí)間60-240 min、打印速度500-1500 mm/min范圍內(nèi)可穩(wěn)定成型，且打印結(jié)構(gòu)具備導(dǎo)電性和潤滑性（摩擦系數(shù)<0.02）。      

圖 5. SBMA-DA-PE 水凝膠的粘附性能。

6. 水凝膠的鹽響應(yīng)性與藥物釋放行為，通過溶脹實(shí)驗(yàn)和羅丹明B釋放曲線，研究SBMA-DA-PE水凝膠在去離子水、0.1 mM和1 mM NaCl溶液中的體積變化及藥物釋放動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，隨鹽濃度升高，水凝膠溶脹率從150%增至550%，藥物釋放速率加快（1 mM NaCl溶液中120 h釋放70%），離子屏蔽效應(yīng)削弱了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)靜電作用，導(dǎo)致鏈段松弛。      

圖6. 水凝膠的溶脹性能與藥物釋放曲線。   

7. 防生物沾污性能與生物相容性評估，通過牛血清白蛋白（BSA）吸附、細(xì)菌粘附實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞活性檢測，分析水凝膠的抗生物污染能力和安全性。結(jié)果顯示，SBMA-DA-PE水凝膠的BSA吸附量僅為PDMS的5%，金黃色葡萄球菌粘附率低于2%，L929細(xì)胞存活率超90%，高密度兩性離子基團(tuán)形成的水化層有效阻隔蛋白和細(xì)菌附著。      

圖7. 水凝膠的防生物沾污性能與細(xì)胞毒性測試。   

8. 3D打印應(yīng)用與多功能特性驗(yàn)證，利用擠壓式3D打印制備“SDU”字樣、圓柱支架等結(jié)構(gòu)，測試打印精度及導(dǎo)電、潤滑性能。結(jié)果表明，水凝膠前驅(qū)體在剪切速率10-1000 s⁻¹范圍內(nèi)呈現(xiàn)剪切變稀特性，打印結(jié)構(gòu)可承受200%拉伸并維持導(dǎo)電（電阻變化率<15%），表面摩擦系數(shù)低至0.017，適用于柔性電子器件和生物支架。      

圖8. 水凝膠的3D打印結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電、潤滑性能表征。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種無需光/熱引發(fā)的自聚合高纏結(jié)兩性離子水凝膠（SBMA-DA-PE）。通過多巴胺自氧化引發(fā)聚合，構(gòu)建了纏結(jié)點(diǎn)多于交聯(lián)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水凝膠的抗壓應(yīng)力≥4.85 MPa、壓縮應(yīng)變≥90%，抗拉斷裂應(yīng)力較常規(guī)水凝膠提升5倍，且具備快速自修復(fù)能力（5分鐘內(nèi)修復(fù)率60%）。該水凝膠在鈦板等基材上的粘附強(qiáng)度達(dá)450 kPa，在1 mM NaCl溶液中溶脹率為550%，蛋白質(zhì)吸附率<5%，細(xì)菌粘附率<2%，并展現(xiàn)出良好的3D打印性能，可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)且兼具導(dǎo)電性（拉伸200%時(shí)電阻穩(wěn)定）和低摩擦系數(shù)（<0.02）。機(jī)制上，非共價(jià)相互作用與靜電協(xié)同效應(yīng)賦予其力學(xué)強(qiáng)度和多功能特性。本研究為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一種高強(qiáng)度、抗污染且可定制化的水凝膠材料策略，在柔性器件、組織工程等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

文章來源：https://doi.org/10.1002/smll.202405789