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然而，水凝膠生物墨水中的游離水在低溫下會形成致命冰晶，這使冷凍保存打印出的結構變得十分困難。此外，游離水還存在蒸發、為細菌提供生存環境等問題。這些都極大地限制了水凝膠生物墨水的實際應用。

為解決上述問題，來自東華大學游正偉教授團隊通過引入甘油來調節水的狀態，開發設計了一種多功能二元甘油水凝膠生物墨水。該生物墨水以明膠作為基體，以確保生物相容性。明膠通過席夫反應與戊二醛交聯，形成相對穩定的聚合物網絡。席夫堿包含動態亞胺鍵，使交聯能夠可逆地解離，并在3D打印結束后重新結合。

這種動態結構演變賦予水凝膠剪切稀化和自愈合特性，以確保其在室溫下的可印刷性。同時，甘油、水和聚合物網絡之間形成的大量氫鍵可以減少游離水的含量，從而顯著抑制了細菌的生長、水分的揮發和生物墨水的結晶。該論文以題為“Intrinsically cryopreservable, bacteriostatic, durable glycerohydrogel inks for 3D bioprinting”發表在Matter上。

圖1. 多功能二元甘油水凝膠生物墨水的研制

甘油水凝膠生物墨水的機械性能、剪切稀化和自愈合特性

硫酸銨可以通過誘導明膠分子鏈的疏水折疊來改善水凝膠的機械性能。與不含硫酸銨的甘油水凝膠（G0.6T）相比，在混合有硫酸銨的甘油水溶液中浸泡后，甘油水凝膠（NG0.6T）的拉伸強度和最大伸長率分別提高了2.3倍和3.5倍。亞胺鍵可以在3D打印的剪切力下可逆地解離，賦予甘油水凝膠剪切稀化特性，以防止細胞因擠壓壓力而受損（圖2C ）。此外，在交替施加低和高應變的流變測試中，水凝膠表現出良好的自愈合特性，在低應變（1 %）時迅速從類凝膠行為（G'>G"）轉變為高應變（500 %）時的類溶膠行為（G'<>< p=""><>

圖2. 甘油水凝膠生物墨水的機械性能、剪切稀化和自愈合特性

甘油水凝膠生物墨水的抗干燥和抗凍性能

作者將不含甘油的水凝膠和含甘油的水凝膠生物墨水置于37 ℃的干燥環境中，以評價其抗干燥性能。甘油水凝膠在3天內保持了高透明度、高伸長率。如圖3F所示，甘油水凝膠在-80 °C下儲存后仍然保持彈性。作者使用DSC進一步評估甘油水凝膠的抗凍性能。結果發現，在-100 °C至20 °C的DSC曲線中未檢測到甘油水凝膠的結晶峰，這表明其具有出色的低溫耐受性。

圖3. 甘油水凝膠生物墨水的抗干燥和抗凍性能

甘油水凝膠生物墨水的抑菌性能

進一步，作者利用大腸桿菌（革蘭氏陰性）在甘油水凝膠貼片上培養5天后活/死細菌的染色情況和細菌生長曲線評估了甘油水凝膠生物墨水的抑菌性能。結果表明，甘油水凝膠生物墨水顯示出明顯的抑制細菌生長的作用。這主要是由于甘油的存在降低了細菌內游離水的含量，從而導致滲透壓降低，細菌細胞裂解。

圖4. 甘油水凝膠生物墨水的抑菌性能

3D打印甘油水凝膠生物墨水模型的維形能力和生物相容性

作者使用甘油水凝膠生物墨水3D打印了人類心臟，在打印完成3天和21天后，心臟支架的形狀保持率分別在98.07 %和78.96 %，高于普通水凝膠生物墨水。作者發現由于甘油具有低滲活性可以減少細胞內水分子的外流，甘油水凝膠生物墨水對于細胞存活和增殖十分有利。此外，作者還發現甘油水凝膠生物墨水可以在-80 ℃的條件下較好地保持細胞活力，并且甘油濃度的增加可以提高冷凍保存效果。

圖5. 3D打印甘油水凝膠生物墨水模型的維形能力和生物相容性

結論

作者通過使用甘油來調節生物墨水中水的狀態，成功制備出了具有優異抑菌性能、長期維形能力和低溫保存能力的多功能甘油水凝膠生物墨水。該生物墨水有望促進3D生物打印在體外建模和再生醫學等領域中的實際利用。