3D打印技术目前已广泛应用于生产生活，对于大型结构的打印，速度是关键，而对于精细结构的构建，精度则是一大难点。为了提高打印分辨率，研究者通常需要更新打印机硬件设备或调整墨水的性能，因此需要投入较高的费用或时间成本。日前，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授团队在《自然·通讯》上发表名为“Complexation-Induced ResolutionEnhancement of 3D-Printed Hydrogel Constructs”的研究论文，提出了一种新型水凝胶3D打印方法“收缩打印（Shrinking Printing）”。通过该方法，研究者可以在不改变原有打印设备硬件及打印参数的基础上，仅通过材料间的电荷络合作用提升打印结构的分辨率（最大约8倍）。
只要泡一泡，精度就能提高数倍？研究者确实只需要将3D打印的水凝胶结构浸泡于另一种常见溶液中，就可以实现该结果。研究者首先选用了带负电的3D打印HAMA（甲基丙烯酸酐化透明质酸）水凝胶，将其浸泡于带正电的（季铵盐）壳聚糖溶液中后，随着时间的推移，（季铵盐）壳聚糖溶液中的正电荷进入水凝胶内部，与其内在负电荷产生络合作用，并将水分子排挤出至溶液中，导致水凝胶各向均匀的缩小，随之而来的遍是分辨率的提升。
图1. “收缩打印”原理探究。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（下）后（上）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）或季铵盐壳聚糖水溶液（pH=7.4）中的收缩情况。
图2. “收缩打印”在挤出式水凝胶打印中的应用。a, 挤出式打印的水凝胶结构收缩示意图；b, 挤出式打印的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。
研究者同时在带负电荷的GelMA（甲基丙烯酸酐化明胶）和alginate（海藻酸）水凝胶中验证了该方法的可行性，并同时构建了带正电的3D打印结构，浸泡于富含聚阴离子的溶液中，水凝胶结构同样可以发生收缩，进一步验证了该原理。随后，研究者们将该方法从挤出式打印推广到了牺牲式打印、同轴打印等方法制备的水凝胶结构中，内径缩小后的管道可用于构建了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。a, 基于Pluronic F127的牺牲式打印示意图；b, 位于HAMA水凝胶内的流道在收缩前后的形态；c, 流道内径的前后变化及统计学分析；d, 基于polycaprolactone （PCL）的牺牲式打印示意图；e-h, 位于HAMA水凝胶内的微流道在(e)打印后、(f)清洗PCL后及(g)收缩后的形态，以及(h)流道内径与(i)网格边长在三种状态时的定量分析。
图4.“收缩打印”在同轴打印中的应用。(a, b)HAMA与(c, d)GelMA在壳聚糖乙酸水溶液中收缩前后的形态及其对应的定量分析，包括收缩前后的内径、外径与壁厚。
文末，研究者验证了多种细胞在收缩进程中的存活、铺展与增殖情况，发现不同类型的细胞在水凝胶内内部的生物学活性有较大的差异，相比于内皮类细胞肿瘤细胞等细胞展现出更好的活性与功能。通过缩短单次收缩时间、将持续时间较长的单次收缩分割成多次序列的收缩，可以起到保护水凝胶内部细胞的作用。
图5. 单次一步收缩法与多次序列收缩法对GelMA/HAMA水凝胶内MCF-7乳腺癌细胞活性及增殖能力的影响。a, 单次一步收缩法与多次序列收缩法操作示意图；b, MCF-7乳腺癌细胞在两种不同收缩方法过程中的细胞活力检测，其中绿色为活细胞，红色为死细胞；c, 收缩过程中活/死细胞数量的统计学分析；d, MCF-7乳腺癌细胞在两种不同收缩方法过程中的Ki67阳性率检测，其中Ki67为红色，F-肌动蛋白为绿色，细胞核为蓝色；e, 两种不同收缩方法过程中Ki67阳性率的统计学分析。
哈佛医学院/浙江大学联合培养博士龚佳幸及哈佛医学院/乌德勒支大学联合培养博士CarlC. L. Schuurmans为本文的共同第一作者，哈佛医学院Y.Shrike Zhang教授及乌德勒支大学Tina Vermonden教授为本文共同通讯作者。
来源：高分子科技前沿