生物打印入门：第二部分 水凝胶

编者：中喷网 墨宸

往期：生物打印入门：如何在家进行生物打印？

摘要：水凝胶是由交联聚合物链网络构成的高分子凝胶，具有吸水、自愈、弹性及刺激响应性，其结构与人体组织细胞外基质相似，是生物打印中理想的组织工程支架材料。合成水凝胶因化学结构和性能易控制，更适合 3D 生物打印，便于实验和特定皮肤特性构建，应用广泛。

 简单水凝胶

水凝胶是一种由交联聚合物链网络构成的高分子聚合物凝胶。水凝胶由亲水性单体通过链式或逐步增长法合成，并添加功能性交联剂以促进网络形成。网状结构以及其中的空隙缺陷增强了水凝胶通过氢键吸收大量水分的能力。因此，水凝胶具有自愈性。它们还具有坚固而又富有弹性的力学性能。自愈是指材料内部旧键断裂后自发形成新键的过程。自愈能力对于生物打印和人体相关系统极具吸引力。人体生物学是一个基于生殖和自愈机制的系统，因此对自愈剂和材料的需求至关重要。

水凝胶的化学结构使其能够发生多种化学反应。根据其组成成分，它们对包括加热、pH值、光照和其他化学试剂在内的各种刺激具有响应性。理解水凝胶的关键特性在于其能够捕获水分，同时保持其化学键合结构，从而维持其三维结构。

工程水凝胶

三维结构的稳定性对于3D打印至关重要。水凝胶在生物打印中的主要用途是作为组织工程的支架。组织工程是指结合材料、工程技术和细胞来改善或替代生物器官。这需要找到合适的细胞类型，并在适宜的条件下将其培养在合适的支架中。水凝胶是一种极具吸引力的支架材料，因为它们的结构与许多组织的细胞外基质相似，通常可以在相对温和的条件下进行加工，并且可以以微创的方式进行递送。

合成水凝胶支架

在生物工程领域，利用水凝胶构建支架可通过两种方法实现：天然来源和合成来源。对于3D生物打印爱好者而言，合成方法更具优势。这些方法在化学性质和结构方面易于控制，从而可以实现对材料性能的可调控。在家庭环境中，合成生物工程是开展3D生物打印相关项目的最可行途径，也更便于进行实验。此外，利用易于操控的合成水凝胶，也更容易针对身体不同部位构建特定的皮肤特性。

总而言之，水凝胶和3D生物打印在合成方法中易于工程化材料方面具有巨大的优势。这使得水凝胶材料的应用范围十分广泛。就材料本身而言，它具有极佳的性能，并赋予我们极大的灵活性。我们将在下一篇文章中讨论不同的3D生物打印装置。这将有助于我们从机器的角度理解水凝胶及其优势，以及一些需要了解的局限性。

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