苟马玲/葛锜/叶青/卢敏/雷一霆/王翀/李奕雯/刘德胜/张骏 | 凝胶3D打印

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3D打印活体组织具有重大临床需求，3D打印支架较难有效转化为活体组织是当前面临的难题，发展动态自适应材料非常关键。我们研制了一种基于纳米明胶的新型动态自适应水凝胶，既能为细胞的生长及迁移提供物理空间，又能调控细胞功能以促进软骨组织的形成，结合自主研发的快速生物3D打印机，构建了软骨组织工程支架，发现其可在体内高效地转化为软骨组织，为软骨修复提供新方法及潜在新选择。

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4D打印作为一种新型的增材制造技术，通过将智能材料（如形状记忆高分子、水凝胶、液晶弹性等）打印成三维结构，并借助外界环境（热、光、电、磁、湿度等）刺激使得三维结构的形状随着第四个维度时间发生改变。通过多材料3D打印技术将智能材料与其它材料（如弹性体、硬质高分子、导电高分子、甚至陶瓷）打印在一起，可以极大地丰富4D打印结构的性能与功能。在本报告中，我将介绍我们在多材料4D打印方面的新进展：高精度4D打印装备、高性能光固化智能材料，以及面向多材料4D打印的设计方法。

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随着生物3D打印技术的不断发展，逐渐成为制备组织工程代替物的强大工具。用于制备人工角膜的生物材料例如胶原蛋白，明胶和丝素蛋白等的开发收到广泛重视，已逐渐改变了制造人工角膜的策略。角膜脱细胞外基质（ECM）具有优异的物理性质和广泛的生化因子，已被广泛接受为模拟复杂天然微环境的最佳材料。ECM在角膜中主要以规则排列的纳米胶原纤维组成，因此在保证良好的生物相容性的同时如何更好的模拟细胞外基质的纤维结构以达到更好的仿生效果是我们研究的重点以及难点。我们开发了基于ECM-GelMA复合水凝胶体系，并将静电纺丝与3D打印技术相结合，开发出一个新的人工角膜制造策略，用于角膜基质工程的制造。结果证明，ECM纺丝的加入可以明显抑制角膜基质细胞的纤维化。动物实验表明，明显促进了角膜移植后角膜的再上皮化，OCT结果显示，ECM纺丝水凝胶移植后无论是从透明性还是从隔层厚度均更接近天然角膜，并可以抑制角膜瘢痕的形成。

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高效、低成本制造复杂三维微米结构，尤其是大面积复杂三维微米结构，一直被认为是一项国际化难题, 也是当前国际上学术界和产业界的研究热点。面投影微立体光刻微尺度增材制造技术，即 Projection Micro Stereolithography (PμSL) 微尺度 3D 打印，因其能够快速一体化成型高精度、跨尺度复杂三维结构，被认为是最有产业前景的微细加工技术之一。摩方公司凭借其特色的PμSL 3D打印技术，开发出最高光学精度达2μm的增材制造系统，可加工出各种复杂三维微米结构。该技术除了光敏树脂以外，还可兼容多种材料，如水凝胶、生物活性玻璃等。本次报告将介绍PμSL 3D打印技术原理、特点及其相关应用，包括水凝胶微机器人、水凝胶生物支架和生物活性玻璃支架等。

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In the realm of bone and joint diseases, conditions such as osteoarthritis pose significant challenges to both patients and healthcare systems. These diseases are characterized by the degradation of cartilage and underlying bone, leading to pain, stiffness, and reduced mobility. Hydrogel microspheres, a novel class of polymer materials, have emerged as promising agents in the therapeutic landscape of these conditions due to their unique properties, including biocompatibility, tunable mechanical properties, and the capacity for controlled release of therapeutic agents. This report will delve into the application of hydrogel microspheres in the treatment of osteoarthritis, illustrating their potential to improve clinical outcomes and enhance the quality of life for affected individuals. Furthermore, we will explore the burgeoning field of 3D printing, which offers unprecedented opportunities for the fabrication of complex and patient-specific hydrogel microsphere-based scaffolds, paving the way for regenerative medicine and personalized therapeutic interventions.

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天然骨软骨组织具有异质化微观结构和力学特性，且不同区层内所含细胞的种类及形态具有显著差异。许多学者采用3D打印技术构建具有异质特征的仿生骨软骨组织工程支架以实现缺损骨软骨组织的一体化再生。然而，再生的骨软骨组织其软骨层多为纤维软骨而非耐磨的透明软骨组织。为了实现干细胞在骨软骨支架不同区层向成骨细胞和透明软骨细胞的高效分化，本课题组采用低温3D打印技术构建了由多孔硬质磷酸三钙/PLGA软骨下骨区和温敏聚酯支架复合I型胶原水凝胶软骨区组成的骨软骨组织工程支架，并通过在支架不同区层负载成骨/成软骨生长因子促进干细胞的分区域定向分化。在此基础上，将软骨区I型胶原水凝胶替换为超分子动态水凝胶可促进所种植干细胞在软骨区的自发聚集，这种聚集态有助于软骨区干细胞向透明软骨细胞分化。相比之下，缺乏成软骨生长因子介导的干细胞即使自发聚集形成了细胞微球，也难以在后续培养过程中保持聚集状态，继而出现纤维化。本课题组进一步采用多材料混合低温3D打印技术构建了可原位负载干细胞的骨软骨组织工程支架。通过调节载干细胞水凝胶的成分和固化条件，实现了干细胞在软骨区水凝胶空隙内的自发聚集成球和软骨下骨区硬质软骨下骨支架表面的迁移铺展。当支架分区域同步负载成骨/成软骨生长因子时，不同区层的干细胞实现了向透明软骨细胞和成骨细胞的高效分化。同样地，缺乏成软骨生长因子介导的软骨区干细胞微球更容易在长期培养时失去聚集状态，最终分化为纤维软骨细胞。

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嵌入式3D打印是一种制造复杂结构的柔性材料的先进手段。这种技术通过在支撑浴中打印，可构建具有三维结构的柔性材料，在组织工程及软体机器人等众多领域上具有具大潜在的应用。在本次报告中, 我将讨论我们的两项研究工作。我们通过研究不同类型的水凝胶墨水在各种典型支撑浴的"可打印及成形性", 提出了一种通用和简化的支撑浴选择指南。此方法可以拓宽水凝胶的成形性，从而实现多种功能。在此基础上，我们进一步利用嵌入式打印技术开发了仿生耳蜗模型。该耳蜗模型能模拟真实活体耳蜗的特性，可预测电子耳蜗在使用过程的"电流扩散"特性。

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柔软、高强、高弹的软材料已在生物医学、柔性电子、智能材料和软机器人等领域引起了广泛应用。然而，软材料仍面临力学性能难调控、复杂结构难构筑和功能化单一等诸多挑战和问题。为此，从微观尺度分子设计和功能调控，到宏观尺度的复杂结构化制造，构建了多种具有润滑、粘附、阻尼、降噪等功能的软材料器械，实现软材料-结构-功能一体化高精度制造。本报告将报道光固化3D打印高性能软材料研发及功能化应用的新进展：1）光固化3D打印湿滑水凝胶：利用共价交联、微相分离、金属配位等策略构筑了高性能的强韧湿滑水凝胶，赋予其高强度、超韧性、润滑性及粘附性，并结合光固化3D打印个性化制造优势，构筑了多种与人体软组织机械特性、理化微环境和仿生结构均适配的仿生湿滑水凝胶软组织器官模型；开发了一种具有可逆粘附功能和水下环境适应性的仿生水凝胶吸盘，这些研究成果均实现了强韧湿滑水凝胶材料的高精度仿生制造。2）光固化3D打印聚氨酯弹性体：利用分子结构设计和多重氢键增强策略制备了一系列兼具高弹性、高韧性且可光固化3D打印的超分子聚氨酯弹性体。受生物梯度结构启发，构筑了多种具有多级仿生梯度结构和自适应机械力学功能的聚氨酯阻尼/隔振器；为了扩展生物医用，制造了具有不同尺寸结构和良好承载能力和生物相容性的聚氨酯心血管支架，实现了聚氨酯弹性体力学功能的精准调控和复杂结构的可控制造，拓展了其在柔性电子、生物医用及仿生摩擦领域的应用范围。

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蚕丝蛋白因其优异的机械性能、良好的生物相容性和可调的生物降解性等优势，成为组织工程和再生医学应用的理想材料。此外，其加工的灵活性极高，不仅能通过溶解再生处理形成各种形态，且分子表面丰富的官能团可通过化学嫁接赋予多种功能特性。我的研究重点在于，应用3D打印智能制造技术，将传统蚕丝粉末、微纤维、触变性凝胶和光固化凝胶等材料，实现精密制造，使其具备或“繁”（TPMS拓扑结构支架）或“微”（个性化定制微针）的特性，从而拓宽蚕丝蛋白在组织工程修复及新型透皮给药等领域的应用。