基于压阻水凝胶的3D生物打印构建高延展性仿生组织传感界面
Antonia Georgopoulou, Miriam Filippi, Lisa Stefani, Felix Drescher, Aiste Balciunaite, Arnaud Scherberich, Robert Katzschmann, Frank Clemens | Advanced Healthcare Materials 2024 | DOI: 10.1002/adhm.202400051
标签: #3D生物打印 #柔性电子 #水凝胶传感器 #类器官芯片 #组织工程
一、做什么 🔬
研究背景：仿生组织将活细胞与人工电子传感器结合，为疾病建模、药物筛选及植入式医疗设备提供新平台。传统合成水凝胶（如纯PVA）机械延展性优异但细胞黏附性差；天然水凝胶生物相容性好但断裂伸长率低。两者复合时，导电填料的加入常导致材料脆化，且传感器与组织界面易在培养过程中发生剥离，导致应变传递失效。
核心问题：
- 能否通过双重交联网络设计，同时实现水凝胶的高断裂伸长率与细胞黏附性？
- 导电填料（聚吡咯PPy与炭黑CB）的引入如何影响水凝胶的流变特性与3D打印成型精度？
- 多材料3D生物打印能否在10天组织成熟期内维持传感器与活体组织的结构完整性与功能稳定性？
研究模型：小鼠成肌细胞（C2C12）负载的3D双相仿生组织模型（核心为压阻传感水凝胶，外层为细胞负载生物墨水）。
技术路线：
- 双重网络水凝胶合成：将合成聚合物PVA与天然聚合物海藻酸钠/结冷胶（SAGG）混合，通过降温物理交联与CaCl₂/硼酸化学交联构建互穿网络。
- 导电填料掺杂与流变调控：掺入1% w/v PPy或0.5% w/v CB，测试剪切变稀行为与形状保真度，优化挤出打印参数。
- 多材料3D生物打印：采用核壳沉积策略，将传感墨水与C2C12细胞生物墨水同步打印，构建双相结构。
- 界面稳定性与传感功能验证：在10天分化培养期内进行活死染色、组织切片观察，并施加25%-100%机械拉伸，记录相对电阻变化。
二、发现什么 📊
核心发现1：双重交联压阻水凝胶实现高延展性与稳定生物界面的一体化构建
图1：图1展示了PVA/SAGG双重网络交联路径、核壳共打印工艺流程，以及该结构在10天培养期内维持＞87%细胞存活率与稳定应变传递的机制示意图。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将12.5% w/v PVA与SAGG按1:2质量比混合，先经120℃降至25℃触发物理交联，再浸入5% w/v CaCl₂/饱和H₃BO₃溶液进行4小时化学交联；随后掺入1% w/v PPy导电聚合物，通过多材料挤出式3D生物打印机以核壳结构共沉积传感墨水与C2C12细胞生物墨水（1×10⁶ cells/mL），并在六孔板中培养10天诱导骨骼肌分化。 |
| 发现什么 | 复合水凝胶断裂伸长率达到680%，极限强度维持在0.26 MPa以上；打印后即刻细胞存活率＞87%，10天成熟期内界面未发生剥离；在25%-100%拉伸应变下，相对电阻呈线性响应，动态循环测试中PPy复合物的电阻漂移仅约2%。 |
| 说明什么 | 物理与化学双重交联策略有效平衡了合成材料的力学韧性与天然聚合物的生物黏附性，核壳共打印工艺消除了传统浇筑法产生的气泡与界面空隙，证实该压阻水凝胶可在长期动态生理应变下实现组织-传感器无缝耦合。 |
📊 原文配图
原文图 2
图2：复合水凝胶断裂伸长率达到680%，极限强度维持在0.26 MPa以上；打印后即刻细胞存活率＞87%，10天成熟期内界面未发生剥离；在25%-100%拉伸应变下，
三、说明什么 💡
领域意义：传统柔性传感器与工程化组织的结合常因模量失配或界面脱粘导致信号衰减。该研究通过双重网络水凝胶与多材料生物打印，将传感器直接集成进组织内部，使原位应变监测成为可能。学界此前多依赖表面贴附或后期植入，该工作确立了“打印即集成”的范式，推动仿生组织从静态培养向动态实时监测模型转变。
临床/转化价值：
- 为器官芯片提供内置力学传感模块，实现肌肉收缩、心肌搏动等动态生理参数的无创实时读取。
- 为智能植入物开发提供材料基础，高延展性与低界面漂移特性适配体内长期动态微环境。
- 缩短药物筛选周期，通过电阻信号直接量化组织成熟度与药物毒性引起的力学功能变化。
与我们产品的关联：该研究核心依赖高精度多材料挤出式生物打印与长期动态培养监测。我们的Cellink BIO X6可直接复现其双墨水核壳共打印工艺；3Brain HD-MEA可用于替代或补充其电阻应变测试，提供更高时空分辨率的电生理-力学耦合数据；Celvivo微流控培养系统可优化其10天分化期的营养交换与机械张力加载环境。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接用于双材料（传感水凝胶+细胞生物墨水）核壳结构共打印，实现高精度空间定位与界面无缝融合 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐ | 替代传统拉伸台电阻测试，在培养皿内同步记录组织收缩力学信号与电生理活动，实现多模态监测 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 提供动态微流控灌注环境，优化10天组织成熟期的代谢废物清除与营养供给，提升界面长期稳定性 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 适用于打印后高通量药物筛选阶段的自动化成像与力学响应数据采集，需客户自行适配水凝胶透光性 |
参考文献
- Liu, Y., et al. Stretchable hydrogel electronics for bio-integrated sensing. Nature Reviews Materials. 2021. DOI: 10.1038/s41578-021-00345-5
- Skylar-Scott, M. A., et al. Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels. Science Advances. 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aaw2459
- Ouyang, L., et al. 3D bioprinting of conductive hydrogels for tissue engineering. Bioactive Materials. 2021. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.02.025
- Wang, X., et al. 3D bioprinting of functional tissue models for drug screening. Advanced Drug Delivery Reviews. 2020. DOI: 10.1016/j.addr.2020.06.018
转发语：把传感器直接“打印”进活体组织里，还能跟着肌肉一起拉伸10天不脱粘？这篇AM新文用双重交联水凝胶+多材料生物打印搞定了，器官芯片和智能植入物的实时力学监测终于有了靠谱方案。
联系人：李东伟
📞 18045130660 🌐 https://www.biokingdom.top
📥 下载原文PDF：Advanced Healthcare Materials 2024 Bioprinting Stable Bionic Interfaces