Adv. Healthcare Mater.：木質纖維素生物材料的3D生物打印

2020-10-29 易絲幫

DOI: 10.1002/adhm.202001472

人們對可持續生物材料進行生物打印的興趣日益增長，而木質纖維素生物材料在這一發展中具有獨特的作用。木質纖維素材料具有良好的生物相容性和可調的機械性能，在3D打印生物材料領域具有廣闊的應用前景。本綜述旨在關注不同來源（木材、細菌和真菌）的不同木質纖維素材料（纖維素、半纖維素和木質素）以不同形式（包括3D生物打印中的納米晶體和納米纖維）應用的最新進展。它們的結晶性導致水不溶性和懸浮納米結構的存在，從而使這些聚合物在水凝膠生物材料中脫穎而出。這些獨特的結構即使在低濃度下使用時也具有良好的性能，例如高油墨粘度以及最終水凝膠的強度和韌性。本文綜述了3D生物打印含其他油墨成分的木質纖維素聚合物的應用，經確認超臨界CO2是3D打印纖維素材料的一種潛在滅菌方法。這篇綜述重點介紹了3D生物打印未來發展所面臨的機遇與挑戰，例如對纖維素材料標準化生產、生物相容性和生物降解性的需求，并強調了3D生物打印纖維素基生物材料的未來研究方向。

圖1.生物打印技術。噴墨打印使用壓電致動器沉積墨水；在激光輔助方法中，激光激發涂有墨水的能量吸收供體層，該供體層在墨水層的界面處產生氣泡，導致其以液滴形式沉積。在擠壓過程中，使用機械力沉積墨水，在立體平版印刷術中，將可光固化樹脂暴露于具有圖案化二值圖像的精確光源中，從而形成3D結構。

圖2.A）葡聚糖鏈（吡喃葡萄糖環），纖維素中的鏈間和鏈內氫鍵。B）-1，4-葡聚糖鏈束。C）纖維素，以及D）甲基纖維素（其中甲基取代氫原子）的示意圖。

圖3.可光固化的液態樹脂由聚合物基質（PEGDA）、納米填料（CNC）和光引發劑（PI）系統組成。使用PEGDA-CNC和FormLabs樹脂為原料，分別通過Formlabs SLA 3D打印出蝶形試樣以及人耳構造。

圖4.A）通過將碳納米管摻入具有納米級表面特征和導電性的3D打印纖維素納米纖維中來開發導電復合油墨的示意圖。B）向油墨中添加NaOH可以減少膠體顆粒之間的靜電排斥，同時保持膠體穩定性，從而獲得具有流變特性的油墨，例如純CNF。

圖5.A）生物材料墨水配方和支架打印的示意圖，從左往右：GelMA和CNF水凝膠的圖像以及配方；直接墨水書寫（DIW）過程的簡單繪圖；打印的水凝膠結構的光學顯微圖像。B）將3T3細胞接種在支架上以及與3D結構孵育第3天的共聚焦圖像。

圖6.A）使用搖動、超聲處理、原位合成和原位添加額外電荷中和劑三乙胺（TEA）不同技術制備聚氨酯（PU）/纖維素納米纖維（CNF）納米復合材料。B）在納米復合材料的形成過程中PU和CNF的分子相互作用的圖示。C-E）PU/CNF和PU/PEO打印支架的圖像。

圖7.I）直接冷沉淀書寫（DCW）裝置A），DCW印刷工藝B），最終支架C）的示意圖，XG和CNC混合物在不同比例下的粘度測定結果表明XG含量對CNCs粘度和剪切稀化行為的影響D）。II）解凍凝膠是由生長冰晶之間的物理限制CNCs聚合引起的。解凍后，CNCs不會完全分散。

圖8.石墨烯-纖維素紙的組裝。折疊和卷起的多層圓柱形層壓結構，顯示出嵌入層間藻酸鹽中的細胞。

圖9.通過甲基纖維素-酪胺生物墨水雙重交聯系統（熱交聯和光交聯）進行3D生物打印過程的示意圖。

圖10.I）以3wt％Cremodan作為表面活性劑和0.5wt％黃原膠作為增稠劑，細菌接種7天后，細菌纖維素形成泡沫。II）使用水解和水反沖（ACC）法很好地分解具有復雜3D結構的BNC原纖維，其平均纖維直徑為16±0.07nm，長度為2±0.4μm。分解后使用細菌纖維素進行生物打印制備出具有高分辨率和穩定性的結構。