近日，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授团队在《Nature Communications》上发表实验论文“Complexation-Induced Resolution Enhancement of 3D-Printed Hydrogel Constructs”。该研究提出了一种新型水凝胶打印方式，在不改变原有3D打印设备硬件与打印参数的基础上，通过材料的电荷络合作用成倍提升了3D打印结构的分辨率，且具有各向同性等特性。该方法被命名为“收缩打印（Shrinking Printing）”，在带有净电荷的水凝胶中通用，可广泛应用于挤出式打印、牺牲式打印、同轴打印等各类3D打印技术制备的水凝胶结构中。

  水凝胶3D打印技术目前在生物医学中已得到广泛应用，然而，现有的方法构建的组织与结构分辨率仍然较低。因此为了提高打印精度，我们常需要更新打印机硬件或调整墨水的性能，耗费成本较高、难度较大。尽管有一些其他的水凝胶打印方法，例如双光子聚合等可以实现较高的打印分辨率，但它们的仪器系统通常非常复杂，从而限制了广泛应用。

图1. a, 水凝胶电荷络合实现收缩的原理示意图；b, HAMA水凝胶在壳聚糖溶液中收缩前后的照片；c, HAMA水凝胶收缩前后的直径、高度与体积的变化；d, HAMA水凝胶在高氯酸溶液（pH = 1.0）、不同分子量的壳聚糖乙酸水溶液（pH = 4.7）以及季铵盐壳聚糖水溶液（pH=7.4）中的收缩情况。

  本文提出了一种提高水凝胶3D打印产物分辨率的新方法“收缩打印”，该方法无需调整打印机硬件或墨水性能，只需要将制备好的结构在特定溶液中浸泡一段时间，便可以完成精度的不同程度提升。研究者选用了常用的带负电的墨水，包括HAMA（甲基丙烯酸酐化透明质酸）、GelMA（甲基丙烯酸酐化明胶）和alginate（海藻酸），在通过3D打印构建了各种三维结构后将其浸泡于带正电的壳聚糖或季铵盐壳聚糖溶液中。随着时间的推移，正电荷扩散进入水凝胶与其内部负电荷产生络合作用，并将水分子排挤出水凝胶外，实现了3D打印水凝胶结构的体积缩小与分辨率提升。研究者对该技术的普遍性进行了进一步验证，发现带正电的生物墨水构建的3D打印结构同样可以在带负电的聚阴离子溶液中收缩。

图2. a,挤出式打印的水凝胶结构收缩示意图；b,挤出打印的HAMA水凝胶结构在壳聚糖溶液中随着时间推移发生收缩，包括(c)六边形对边距离及(d)水凝胶臂直径。

  除了挤出式打印的水凝胶结构可通过该方法进行精度提升外，研究团队还在牺牲式打印（基于Pluronic F127或polycaprolactone [PCL]）的结构及同轴打印的管道中进行了验证，发现管道内径最小可以收缩到原来的1/8，可用于构建毛细血管等精细结构。

图3. “收缩打印”在牺牲式水凝胶打印中的应用。

图4. “收缩打印”在同轴打印中的应用。

文末，研究者验证了MCF-7、C2C12、HUVECs等细胞在GelMA/HAMA水凝胶内部的存活、铺展与增殖等情况。研究表明，不同类型的细胞在水凝胶内的生物学活性有较大的差异。持续时间较长的单次收缩对细胞的挤压较大容易造成活性下降，因此研究者又提出了单次收缩时间较短的分次序列收缩，从而保护水凝胶内细胞的活性与功能。

图5. 单次一步收缩法与多次序列收缩法对水凝胶内MCF-7细胞活性及增殖能力的影响。

  Nature Communications的编辑评价该文章：Three-dimensional (3D) hydrogel printing enables production of volumetric architectures but achieving good resolutions for miniaturized features remains challenging. Here the authors demonstrate shrinking of a printed structure by immersing a 3D-printed patterned hydrogel consisting of a hydrophilic polyionic polymer network in a solution of polyions of the opposite net charge。该技术有望在不久的将来进一步优化并在各领域广泛应用。

  哈佛医学院/浙江大学联合培养博士龚佳幸与哈佛医学院/乌德勒支大学联合培养博士Carl C. L. Schuurmans为本文的共同第一作者，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授与乌德勒支大学Tina Vermonden教授为本文共同通讯作者。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14997-4