用于 3D 生物打印的机械性能稳健型非溶胀冷水鱼明胶水凝胶

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在3D生物打印领域，水凝胶作为常用材料，虽具高含水量等优势，却面临打印后肿胀难题。打印后的肿胀会改变打印结构的几何与机械性能，致使与原始设计出现偏差，对细胞功能及组织结构产生不良影响 。尽管科研人员在开发非溶胀水凝胶方面投入诸多努力，但因材料合成繁琐、网络结构复杂等局限，其在3D细胞封装及生物打印中的应用仍有待实现。  

来自瑞士联邦材料科学与技术实验室的Kongchang Wei教授团队 ，联合多方开展深入研究，致力于突破这一困境。他们以冷水鱼明胶（cfGel）为原料，借助硫醇-烯“点击”化学构建了仅含单一网络的新型非溶胀水凝胶 。相关工作以“Mechanically Robust Non-Swelling Cold Water Fish Gelatin Hydrogels for 3D Bioprinting”为题发表于《Materials Today Bio》 ，为解决3D生物打印中水凝胶肿胀问题提供了创新性思路，有望推动组织工程和再生医学领域的发展。

图1. 全冷水鱼明胶基水凝胶（cfGel-Hydrogel）的设计与特性。

1. 水凝胶合成与流变特性，通过合成cfGel-NB和cfGel-SH功能聚合物，利用硫醇-烯“点击”化学交联，结合流变学测试（时间扫描、应变扫描、频率扫描），研究了不同cfGel-NB与cfGel-SH质量比（R）对水凝胶交联效率、刚度（G'）和线性粘弹性范围的影响。结果表明，UV曝光10秒内可快速成胶，R=4:6时G'最高，水凝胶可承受100%应变未断裂，呈现低阻尼特性。      

图2. 功能性冷水鱼明胶聚合物的合成、交联过程及流变性能。   

2. 生理条件下的非溶胀特性，通过在不同浓度PBS、超纯水（UPW）、NaCl和CaCl₂溶液中测量溶胀率（SR），研究了cfGel-水凝胶的溶胀行为与离子强度的关系。结果表明，R=5:5的水凝胶在PBS中溶胀率<±10%，表现为非溶胀；高盐溶液（如8×PBS）导致脱水收缩，而低离子强度溶液（如UPW）引发显著肿胀，Ca²⁺通过与明胶羧酸基团相互作用增强脱水收缩。      

图3. cfGel-水凝胶在不同溶液中的溶胀行为。   

3. 机械性能与分子机制，通过循环压缩测试、杨氏模量测量和橡胶弹性理论计算，研究了水凝胶在PBS和UPW中的力学响应及分子链构象变化。结果表明，PBS中受限溶胀使水凝胶具备高机械稳健性（承受80%压缩应变，滞后率>40%），而UPW中溶胀导致力学性能下降；分子链在PBS中的构象收缩率达49%，交联点间距缩短，解释了能量耗散与快速恢复特性。      

图4. cfGel-水凝胶在PBS和UPW中的循环压缩测试及力学参数。   

4. 细胞封装与3D生物打印，通过Alamar Blue代谢活性检测、活/死染色和免疫荧光成像，研究了人真皮成纤维细胞（HDFs）在不同浓度cfGel-水凝胶中的存活、增殖和 spreading行为。结果表明，5 wt%和7.5 wt%水凝胶支持细胞长期存活，10 wt%因刚度较高限制细胞扩散；结合FRESH技术打印含细胞的多层网格结构，证明水凝胶在2周培养中保持形状保真度，仅因细胞收缩力出现轻微弯曲。      

图7. 无细胞和含细胞的cfGel-水凝胶3D打印结构及其细胞相容性评估。

研究结论
本研究开发了一种全冷水鱼明胶基“点击”水凝胶（cfGel-Hydrogel），其通过单网络结构和硫醇-烯化学交联，在生理条件下表现出显著的抗溶胀性（溶胀率<2%）。非溶胀特性源于明胶聚合物在盐溶液中的构象收缩，赋予水凝胶能量耗散（滞后率>40%）和快速恢复的机械性能，可承受80%压缩应变而不发生内聚破坏。细胞封装实验表明，该水凝胶具有优异的细胞相容性，支持人真皮成纤维细胞在3D结构中长期存活和扩散。通过挤出式3D生物打印验证，含细胞的打印结构在培养过程中保持形状稳定性，仅因细胞收缩力产生轻微形变。本研究为构建形状保真、力学稳健的生物打印组织提供了新平台，在再生医学和疾病建模领域具有应用潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101701