一、研究背景
对于传感、可穿戴设备、软机器人、药物输送或组织工程等众多应用而言，控制纳米颗粒跨长度尺度和不同合成/生物环境中的可加工性是非常理想的。迄今为止，大多数策略处理和利用纳米颗粒：i)作为分散的单个单元，用于运输不同的货物(即小药物，DNA/RNA，蛋白质等);ii)作为单一/协作生物分子传感器运行;或iii)作为纳米材料块，用于机械增强不同的纳米复合水凝胶宏观结构等等。纳米复合水凝胶表现出纳米级材料和宏观级水凝胶的组合特性(即组织粘附性、自修复性、生物降解性、刺激响应性等)，增加了包含纳米颗粒的分层功能材料的工具箱。然而，在这些平台中，纳米颗粒大多以随机分散的单元形式存在，控制它们在水凝胶体积的特定区域中的体积定位极具挑战性。最近也有报道了水凝胶中单个纳米颗粒的磁性取向，并有助于克服这些挑战。或者，纳米颗粒也可以作为功能单元进行探索，以建立胶体凝胶-聚集纳米颗粒的3D互连微观/宏观尺度网络。
胶体凝胶(CG)因其物理化学特性(包括自主自组装)而特别具有吸引力，并且对构成网络的纳米颗粒单元提供用户定义的选择性，从而实现一定程度的模块化，从而扩展了创建具有独特物理化学性质和生物性能的CG的可能性。在设计阶段，CG可以由生物，合成或混合来源的单个(单型)或多个(异型)纳米颗粒物种配制而成，并且每个单元能够显示被动(即磁性，导电性，色度等)或刺激响应特征(即pH，温度，光等)。CG还可以表现出剪切稀化行为，形状变形和自愈能力，这取决于用于促进纳米颗粒组装的相互作用(例如，超分子客体-宿主，静电或动态共价等)。可注射性等附加功能也使CG成为非常有价值的递送系统，特别是对于生物活性分子在长时间尺度上的聚焦和时空控制释放。
尽管有潜在的应用，但将CG配制成3D打印墨水，用于制造由纳米颗粒组成的超粒子平台，这些纳米颗粒与双非共价/光控共价相互作用(即双互连)相互连接，以提高印刷期间和打印后的体积加工性能仍未被探索。还假设双颗粒间互连的引入提高了印后超粒子平台的机械鲁棒性及其与光交联水凝胶平台的互连性。
二、研究成果
近日，阿威罗大学的João F. Mano和Vítor M. Gaspar团队在此报告了3D打印双联胶体凝胶(COGEL)油墨的配方，该油墨包含具有固有细胞支持特征的多纳米颗粒物种。这是第一次建立双联型结构，不是像双网络水凝胶那样在大分子尺度上建立，而是作为双联纳米颗粒建立。为了制备双互连的超粒子平台，使用两个带相反电荷的纳米颗粒构建块来预配制CG墨水：i)阳离子聚(D，L-丙交酯-共乙交酯)(PLGA)纳米颗粒表面工程与光响应甲基丙烯酸聚乙烯亚胺(PEIMA)和ii)阴离子甲基丙烯酸化明胶(GelMA)光交联纳米颗粒。结合后，静电相互作用能够形成具有适当流变特性和剪切稀化的单链胶体墨水，以便通过空中挤出 3D 打印和自由形式的 3D 打印水凝胶支撑浴进行加工。制备的超制品构建体通过颗粒间共价键在印刷后相互连接，形成具有增强机械性能和固有细胞支撑特性的全纳米颗粒、双互连的3D构建体，而无需人工安装细胞粘附基序。除此之外，胶体油墨可以很容易地与不同的水凝胶结合使用，首次使其在水凝胶构建体中实现精确的体积编程。在水凝胶体积中书写全纳米颗粒油墨的实现可以潜在地克服传统纳米复合材料中纳米颗粒分布的随机性。因此，本文配制的胶体油墨代表了一种高度通用的全纳米颗粒生物材料，可用于解决可能受益于纳米颗粒使用的各种医疗保健挑战。该研究工作以题为“Double-Interlinked Colloidal Gels for Programable Fabrication of Supraparticle Architectures”的论文发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
三、图文速递
图1. 纳米颗粒制造和胶体凝胶(COGEL)油墨配方
为了开发多组分胶体油墨，最初通过使用不同的生物材料通过纳米沉淀合成了两种带相反电荷的纳米颗粒构建块，即：i)PLGA-PEIMA和ii)GelMA。选择PLGA-PEIMA生物材料来组装纳米尺寸的构建块，其基本原理是PEI具有高胺密度，以及易于修饰的化学基团，用于安装光响应性甲基丙烯酸酯部分。此外，PLGA是一种可生物降解和生物相容的聚酯聚合物，广泛用于配制受控药物输送系统，并已获得FDA批准供人使用。此外，由于其固有的细胞支持/粘附特性和光响应能力，选择GelMA来生成水凝胶状纳米颗粒。GelMA纳米颗粒是通过利用胺基团对醛的反应性来组装的。
采用纳米沉淀法对胶体凝胶构建单元PLGA-PEIMA和GelMA纳米颗粒进行了组装，并针对不同的纳米颗粒物种进行了优化的参数。所得的PLGA-PEIMA聚合物纳米颗粒呈现正表面电荷和≈272 nm的流体动力学直径。相反，合成的GelMA纳米颗粒表现出负表面电荷， 流体动力学尺寸低于100 nm。当组装成胶体凝胶时，所有配方都显示出相对较低的多分散指数和球形。为了证明胶体油墨的单位模块化，开发了两种在最终纳米胶体油墨中表现出不同GelMA：PLGA-PEIMA纳米颗粒质量比的配方，即：胶体凝胶-G1(2：1)和胶体凝胶G2(2：0.5)，从本文开始分别称为COGEL-G1和COGEL-G2，后者呈现的PLGA纳米颗粒量较低。两种配方的含水量相似。为了评估形状的贴合特征和可成型性，将单链油墨轻松插入圆盘形PDMS模具中，快速获得其几何配置，支持配方的固有可成型特征。此外，由于互补构建块之间的多价相互作用，即使在共价键形成之前，单链COGEL油墨在缓冲液中静态浸入(PBS pH = 7.4)时也表现出稳定性。
图2. 单联和双联COGEL油墨动态流变学和机械性能表征
为了进一步确认COGEL油墨通过挤出3D打印加工的潜力，并研究其内在性能的潜在差异，进行了流变学和机械测试。结果表明，材料的弹性状态在整个频率范围内占主导地位，但也证实了COGEL-G1和COGEL-G2配方的稳定性(凝胶状特性)。重要的是，两种胶体油墨配方都显示出粘度随着剪切速率的增加而显着降低，表现出明显的剪切稀化行为。具体来说，在高剪切速率下粘度的降低允许通过注射器针头进行注射/挤出，证实了两种配方通过挤出3D打印加工的潜力。
图3. COGEL油墨的挤出3D可打印性和体积超粒子结构的制造
考虑到COGEL油墨的流变特性，通过挤出印刷在空气中通过挤出到标准印刷珠(即载玻片)中评估其3D打印适性。为此，将COGEL配方引入3D打印墨盒，然后使用不同尺寸的喷嘴进行挤出打印过程。两种配方都易于挤出，并且无论使用何种喷嘴，都能形成高度稳定的全纳米颗粒基长丝。这可能归因于带相反电荷的纳米颗粒物种之间建立的静电相互作用，挤出的长丝在远距离垂直挤出，水平挤出和给定的时间范围内保持相对稳定。在最佳条件下，可以打印具有不同尺寸特征的不同类型的演示性超粒子架构，即：i)字母“CO”，以及ii)方形，星形和螺栓，毫米尺寸的体积结构，具有合适的分辨率。
图4. COGEL超粒子的表征构建了细胞支持能力
考虑到其组合物中存在GelMA，假设COGEL油墨本质上是细胞支持平台(即，由于蛋白质GelMA纳米颗粒中存在细胞结合结构域)。为了利用这些能力并确认其细胞相容性，COGEL-G1和G2超粒子双互连圆盘形结构被3D打印并接种hASCs。结果表明，双相互连接的COGEL盘在与细胞培养过程中保持结构稳定和致密。此外，活力分析显示hASCs与胶体平台结合并在14天内保持存活，观察到的死亡率几乎可以忽略不计。此外，值得注意的是，随着时间的推移，细胞不仅粘附，而且扩散和增殖，这表明这些平台支持人类细胞的潜力。
图5. COGEL墨水水凝胶支撑浴的悬浮3D打印
事实上，在水凝胶浴(即牺牲和光交联3D水凝胶立方体)中精确定位COGEL的可能性以及组装的COGEL油墨的多功能性/模块化使其对受益于精确纳米颗粒定位的应用具有吸引力，例如局部生物指导人体细胞，调节水凝胶机械性能或提供时空控制水凝胶平台中生物活性分子释放的创新模式。
四、结论与展望
总的来说，开发的胶体墨水代表了高度通用的模块化平台，并且由于在COGEL配方中存在PLGA纳米颗粒单元，因此预计还可能用于一种或多种生物活性分子的控制释放。COGEL配方是一种广泛使用的纳米传递系统，用于控制不同生物活性分子(即核酸，蛋白质，肽，小药物等)的传递。在这种情况下，评估纳米颗粒单位从COGEL结构中释放和在周围细胞中的内化也是验证这些应用的超颗粒结构的必要条件。我们之前的证据表明，单个相互连接的胶体凝胶在培养中脱落纳米颗粒，然后这些纳米颗粒被内化到邻近的细胞中。探索在纳米颗粒中引入共价相互连接的影响是一个相关的方面，如果生物活性分子递送到细胞内区室的设想。此外，COGEL墨水的纳米颗粒构建块在不同条件下的稳定性，如酸性环境(即炎症或肿瘤组织)，也是后续研究中需要考虑的一个主要方面。对这种潜力的开发和验证将为应用这种系统开辟一个全新的可能性范围，包括生物医学应用、传感器或软机器人。
文献链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202304628
