在生物制造與組織工程領(lǐng)域，斷層體積3D打印（TVP）技術(shù)憑借其超快速、無(wú)層疊的制造方式，正成為制造水凝膠器件的有力平臺(tái)。它通過(guò)在光敏樹(shù)脂體積內(nèi)投影三維光劑量分布，能夠在數(shù)秒內(nèi)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印，避免了傳統(tǒng)逐層打印帶來(lái)的層間缺陷。然而，TVP技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：在狹窄的光劑量加工窗口內(nèi)，傳統(tǒng)水凝膠材料的固化往往不夠充分，導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的保真度和穩(wěn)定性受損。這種固化動(dòng)力學(xué)與打印需求之間的不匹配，成為制約TVP技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸。

針對(duì)上述問(wèn)題，上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院廖赟團(tuán)隊(duì)提出了一種肽自組裝介導(dǎo)的聚合策略，成功制備出力學(xué)性能增強(qiáng)、且凝膠閾值后快速固化的光交聯(lián)水凝膠。該團(tuán)隊(duì)將乙烯基化的自組裝肽（vSAPs）共價(jià)連接至四臂聚乙二醇大分子上，形成vSAP-大分子。自組裝行為誘導(dǎo)乙烯基團(tuán)在納米尺度上富集，大幅縮短了自由基傳播所需的擴(kuò)散距離。因此，vSAP-大分子在光劑量超過(guò)聚合閾值后表現(xiàn)出陡峭的轉(zhuǎn)化率和快速的網(wǎng)絡(luò)形成。同時(shí)，vSAP的引入形成了納米增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，顯著提升了水凝膠的力學(xué)性能。該策略不僅提高了TVP打印件的保真度與力學(xué)表現(xiàn)，也為高性能水凝膠的體素打印設(shè)計(jì)提供了通用框架。相關(guān)論文以“Fabrication of Mechanically Reinforced Photo-Cross-linked Hydrogels with Steep Post-Gelation Threshold Curing via Vinylated Self-Assembling Peptides”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1 肽自組裝介導(dǎo)聚合策略的概念示意圖。(a) 體掃描體積3D打印示意。(b) vSAP-大分子和v-大分子（常規(guī)乙烯基化大分子）中雙鍵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化示意。(c) 打印水凝膠的性能。(d) vSAP-大分子形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)示意。(e) v-大分子形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)示意。

研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了一種模型vSAP分子——MA-diF（圖2A）。該分子由兩個(gè)苯丙氨酸殘基組成，并在其N(xiāo)端連接了一個(gè)甲基丙烯酰基。實(shí)驗(yàn)顯示，MA-diF在水/二甲基甲酰胺混合溶劑中能夠自組裝形成短納米棒或長(zhǎng)達(dá)200納米以上的納米纖維（圖2B）。當(dāng)該vSAP被共價(jià)連接至線性PEG鏈末端形成MA-diF-PEG后，自組裝特性依然保持（圖2C）。硫黃素T熒光染色和圓二色光譜均證實(shí)了有序自組裝結(jié)構(gòu)的形成（圖2D、2E）。透射電子顯微鏡則直接觀察到了MA-diF-PEG組裝的短納米棒和長(zhǎng)納米纖維，而對(duì)照的MA-PEG則未出現(xiàn)明顯納米結(jié)構(gòu)（圖2F）。這種自組裝驅(qū)動(dòng)的乙烯基局部富集，顯著加速了光聚合過(guò)程中大分子的轉(zhuǎn)化效率。

進(jìn)一步研究表明，自組裝對(duì)光聚合速率的提升效果顯著。在典型TVP固化窗口的200 mJ/cm2光劑量下，MA-PEG的轉(zhuǎn)化率僅為3.71%，而MA-diF-PEG達(dá)到了25.7%（圖2G、2H）。更為關(guān)鍵的是，一旦超過(guò)聚合閾值，MA-diF-PEG的轉(zhuǎn)化率增速遠(yuǎn)超MA-PEG（圖2I）。在100 mJ/cm2的有限光劑量下，其轉(zhuǎn)化率甚至是對(duì)照組的12倍（圖2J）。通過(guò)改變光引發(fā)劑濃度和大分子固含量，MA-diF-PEG始終表現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)化效率（圖2K、2L）。此外，研究還證實(shí)，這種加速效應(yīng)確實(shí)源于自組裝行為，而非特定的化學(xué)組成——缺乏自組裝能力的kMA-PEG表現(xiàn)出中間水平的轉(zhuǎn)化率。

圖2 肽自組裝誘導(dǎo)乙烯基化大分子在聚合后閾值處出現(xiàn)陡峭轉(zhuǎn)化。(a) 模型vSAP（MA-diF）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) MA-diF在水/DMF混合溶劑（4:1 v/v）中組裝體的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像，組裝體通過(guò)ThT染色可視化。(c) MA-diF-PEG大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其自組裝機(jī)制示意。(d) MA-diF-PEG和MA-PEG（5 wt.%）溶液在10 μM ThT存在下的熒光光譜。(e) MA-diF-PEG和MA-PEG在水溶液（5 wt.%）中的CD光譜。(f) MA-diF-PEG和MA-PEG組裝體在碳網(wǎng)格上干燥后的代表性TEM圖像。(g, h) MA-PEG（g）和MA-diF-PEG（h）在光照射后的凝膠滲透色譜圖。樣品（5 wt.%，含0.05 wt.% LAP）以20 mW cm?2的強(qiáng)度接受405 nm光照射10秒。照射后，所得樣品冷凍干燥并以10 mg/mL的濃度重新溶解于DMF中進(jìn)行GPC分析。(i) MA-diF-PEG和MA-PEG的轉(zhuǎn)化率隨光劑量（10 mJ cm?2 - 1000 mJ cm?2）的動(dòng)態(tài)變化。(j) MA-diF-PEG和MA-PEG在100 mJ cm?2 - 1000 mJ cm?2光劑量范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)化率比較（405 nm）。(k) 不同LAP濃度下的大分子轉(zhuǎn)化率（405 nm，100 mJ cm?2）。(l) 不同大分子固含量下的大分子轉(zhuǎn)化率（405 nm，100 mJ cm?2）。

在驗(yàn)證了加速聚合效應(yīng)后，研究團(tuán)隊(duì)將這一策略擴(kuò)展至可光交聯(lián)水凝膠的制備。他們將MA-diF基團(tuán)接枝到40 kDa的四臂PEG上，獲得MA-diF-tPEG（圖3A）。該材料在熱水中溶解后，冷卻至室溫即可快速形成物理凝膠，進(jìn)一步經(jīng)405 nm光照后轉(zhuǎn)化為堅(jiān)固的化學(xué)交聯(lián)水凝膠。與缺乏強(qiáng)自組裝能力的kMA-tPEG相比，MA-diF-tPEG在硫黃素T熒光染色和圓二色光譜中均展現(xiàn)出明顯的自組裝特征（圖3B、3C）。在DMF中的溶脹實(shí)驗(yàn)表明，vSAP-Gel的溶脹比顯著低于對(duì)照v-Gel，且在800 mJ/cm2后即達(dá)到穩(wěn)定平臺(tái)，證明了MA-diF對(duì)雙鍵轉(zhuǎn)化率的提升作用（圖3D）。

在力學(xué)性能方面，vSAP-Gel表現(xiàn)出了驚人的增強(qiáng)效果。在30 wt.%的固含量下，vSAP-Gel在拉伸、壓縮和切割測(cè)試中均保持良好的結(jié)構(gòu)完整性（圖3E），并展現(xiàn)出優(yōu)異的承載能力和抗穿刺韌性（圖3F）。拉伸測(cè)試顯示，vSAP-Gel的楊氏模量、強(qiáng)度、斷裂功和韌性均顯著優(yōu)于對(duì)照v-Gel（圖3G、3H）。壓縮測(cè)試中，在0.9應(yīng)變下，vSAP-Gel承受的應(yīng)力超過(guò)20 MPa，約為v-Gel的4倍（圖3I）。值得注意的是，僅靠物理交聯(lián)的vSAP-pGel非常脆弱，這證明了共價(jià)鍵對(duì)于力學(xué)增強(qiáng)的必要性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比不同溫度下的儲(chǔ)能模量，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在80℃下（此時(shí)超分子相互作用被破壞），vSAP-Gel的G'值雖仍高于v-Gel，但僅為20℃時(shí)的不到10%，說(shuō)明超分子相互作用在力學(xué)增強(qiáng)中占據(jù)主導(dǎo)地位（圖3J）。小角X射線散射進(jìn)一步揭示，vSAP-Gel中存在間距約19.5 nm的周期性剛性結(jié)構(gòu)，而v-Gel則沒(méi)有該特征，證實(shí)了納米增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的形成（圖3K）。即使在20 wt.%和10 wt.%的較低固含量下，vSAP-Gel依然保持顯著的力學(xué)增強(qiáng)效果（圖3L），其加載-卸載拉伸曲線也顯示出優(yōu)異的彈性（圖3M）。

圖3 可交聯(lián)vSAP-大分子介導(dǎo)的水凝膠增強(qiáng)。(a) MA-diF-tPEG的結(jié)構(gòu)示意。(b) MA-diF-tPEG（10 wt.%）物理凝膠和kMA-tPEG（10 wt.%）溶液在10 μM ThT存在下的熒光光譜。(c) MA-diF-tPEG（10 wt.%）物理凝膠和kMA-PEG（10 wt.%）溶液的CD光譜。(d) 由不同405 nm光劑量制備的vSAP-凝膠（10 wt.%）和v-凝膠（10 wt.%）在DMF中的平衡溶脹比。(e) vSAP-凝膠（30 wt.%）的拉伸、壓縮和切割圖像。(f) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）的代表性壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(h) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）的彈性模量、強(qiáng)度、斷裂功和韌性比較。(i) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）的代表性壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插入圖：vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）被200 g砝碼壓縮。(j) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）在20°C（室溫）或80°C下的頻率掃描曲線。(k) vSAP-凝膠和v-凝膠（30 wt.%）的1D和2D SAXS數(shù)據(jù)。(l) 固含量為20或10 wt.%的vSAP-凝膠和v-凝膠的彈性模量比較。(m) 不同固含量vSAP-凝膠的代表性加載-卸載拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線。p < 0.001，p < 0.0001，與v-凝膠組比較；*p < 0.05，**p < 0.01，ns p > 0.05，與2000 mJ cm?2的vSAP-凝膠比較。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了vSAP-Gel在TVP打印中的適配性。動(dòng)態(tài)流變測(cè)試表明，vSAP-Gel的儲(chǔ)能模量在光劑量超過(guò)閾值后急劇上升：在300 mJ/cm2和500 mJ/cm2時(shí)，分別達(dá)到了總ΔG'的65%和84%，而v-Gel和當(dāng)前TVP中常用的GelMA水凝膠則表現(xiàn)出緩慢得多的固化動(dòng)力學(xué)（圖4A）。vSAP-Gel的這種陡峭固化行為使其在約300 mJ/cm2的有限光劑量下即可快速獲得力學(xué)穩(wěn)定性，其楊氏模量和拉伸強(qiáng)度隨光劑量增加而迅速提升（圖4B）。此外，MA-diF-tPEG在405 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出極低的吸光度，優(yōu)于GelMA，有利于TVP打印時(shí)深層區(qū)域的固化（圖4C）。更重要的是，MA-diF-tPEG表現(xiàn)出快速且可逆的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變特性（圖4D），且經(jīng)過(guò)多次加熱-冷卻循環(huán)后仍保持高度可重復(fù)的儲(chǔ)能模量（圖4E）。在室溫下其物理凝膠的儲(chǔ)能模量遠(yuǎn)高于GelMA，而在高溫溶膠態(tài)下的粘度則遠(yuǎn)低于GelMA，這既防止了打印過(guò)程中結(jié)構(gòu)的沉降，又便于打印后未固化材料的去除（圖4F）。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變自組裝肽中的氨基酸序列，可以精細(xì)調(diào)控水凝膠的性能。他們用甘氨酸、丙氨酸、2-氨基丁酸和纈氨酸分別替代一個(gè)苯丙氨酸，所有變體均表現(xiàn)出溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變行為，且轉(zhuǎn)變溫度隨氨基酸側(cè)鏈?zhǔn)杷缘脑黾佣摺２煌凅w形成的vSAP-Gel在固化動(dòng)力學(xué)和力學(xué)強(qiáng)度上呈現(xiàn)出梯度變化，表明vSAP的設(shè)計(jì)為水凝膠性能的調(diào)控提供了分子層面的便捷手段（圖4G）。

圖4 vSAP-凝膠的TVP適配性和可調(diào)性。(a) 儲(chǔ)能模量（ΔG′）隨光劑量的演化。水凝膠的固含量為10 wt.%，含0.1 wt.% LAP。(b) vSAP-凝膠（由10 wt.% MA-diF-tPEG和0.1 wt.% LAP形成）的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度隨施加光劑量的變化。(c) 10 wt.% MA-diF-tPEG和GelMA的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。(d) 10 wt.% MA-diF-tPEG以10°C min?1速率加熱或冷卻過(guò)程中的動(dòng)態(tài)振蕩溫度掃描結(jié)果。(e) 10 wt.% MA-diF-tPEG在20°C和80°C之間重復(fù)加熱-冷卻循環(huán)的振蕩時(shí)間掃描結(jié)果。(f) 10 wt.% MA-diF-tPEG和GelMA在凝膠態(tài)下的儲(chǔ)能模量和溶膠態(tài)下的粘度比較。MA-diF-tPEG和GelMA的儲(chǔ)能模量均在20°C下測(cè)量，而MA-diF-tPEG的粘度在80°C下測(cè)量，GelMA的粘度在45°C下測(cè)量。(g) 與不同vSAP變體結(jié)合后的tPEG的化學(xué)結(jié)構(gòu)及所得水凝膠的相應(yīng)流變學(xué)和力學(xué)性能。所有變體的數(shù)據(jù)均在30 wt.%固含量下收集。*p < 0.0001，p < 0.01，與GelMA比較。

在最終的TVP打印驗(yàn)證中，vSAP-Gel成功打印出多孔九宮格晶格結(jié)構(gòu)（圖5A）、實(shí)心球體（圖5B）、薄壁空心圓柱體（圖5C）等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。打印出的vSAP-Gel矩形試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出優(yōu)異的力學(xué)響應(yīng)，與v-Gel形成鮮明對(duì)比（圖5D）。更重要的是，vSAP-Gel在更低的光強(qiáng)和更短的曝光時(shí)間條件下即可獲得高質(zhì)量打印件（圖5E）。與GelMA相比，vSAP-Gel在打印Thinker半身像模型時(shí)展現(xiàn)出了更高的保真度，細(xì)節(jié)更加清晰完整（圖5F）。這些結(jié)果充分證明了vSAP-Gel在TVP打印中的優(yōu)越性。

圖5 vSAP-凝膠在TVP中展現(xiàn)出增強(qiáng)的打印保真度和力學(xué)穩(wěn)定性。(a) 打印的多孔九宮格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。比例尺：3 mm。(b) 打印的實(shí)心球體。比例尺：3.5 mm。(c) 打印的薄壁空心圓柱體。比例尺：4 mm。(d) 打印的vSAP-凝膠和v-凝膠矩形樣品（用于力學(xué)測(cè)試）的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插入圖：測(cè)試樣品的照片。比例尺：4 mm。(e) 拉伸樣品所需的打印參數(shù)（光強(qiáng)和曝光時(shí)間）。(f) 使用vSAP-凝膠與GelMA-凝膠打印的“思想家”模型的保真度對(duì)比。比例尺：3.75 mm。詳細(xì)打印參數(shù)列于表S2。

總結(jié)與展望

本研究通過(guò)將乙烯基化自組裝肽共價(jià)接枝到多臂聚乙二醇上，成功開(kāi)發(fā)了一類(lèi)兼具快速閾值后固化能力和卓越力學(xué)性能的新型光交聯(lián)水凝膠。該策略通過(guò)肽自組裝在納米尺度上富集乙烯基團(tuán)，加速了自由基聚合動(dòng)力學(xué)，同時(shí)形成了納米增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，賦予水凝膠極高的模量、強(qiáng)度和韌性。更重要的是，該材料體系具備優(yōu)異的光學(xué)透明性、熱致可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變行為以及寬泛的性能可調(diào)性，完美契合了TVP打印對(duì)材料的多重苛刻要求。這一工作不僅為解決水凝膠體素打印中的聚合動(dòng)力學(xué)失配問(wèn)題提供了有效方案，也為設(shè)計(jì)面向下一代快速增材制造的高性能水凝膠材料建立了通用的分子工程框架。