本文研究了乙酰化纳米纤维素(AceCNF)作为单组分生物墨水用于直接墨水书写(DIW)3D 打印的潜力,其通过木材纤维的异质乙酰化制备,取代度为 0.6。相较于未修饰纳米纤维素(CNF)和 TEMPO 氧化纳米纤维素(TOCNF),AceCNF 仅需 0.5 wt% 的浓度即可获得适合 3D 打印的流变性能,打印的支架具有良好的尺寸稳定性,在冻干和复水后仍能保持结构,且孔隙率更高。细胞实验表明,AceCNF 支架支持心肌成纤维细胞的附着、增殖和存活达 21 天,展现出在组织工程和心脏器械中的应用潜力。

一、研究背景与目的

<纳米纤维素的 3D 打印潜力<:纳米纤维素的剪切稀化行为和机械强度使其适合 3D 打印,但自聚集和尺寸不稳定是主要挑战。传统方法常需交联剂,但可能具细胞毒性。

<研究目标<:开发无需交联的乙酰化纳米纤维素(AceCNF)单组分生物墨水,制备尺寸稳定的 3D 打印支架,并评估其与心肌成纤维细胞的相互作用。

二、材料制备与表征

<材料制备<

<AceCNF<:通过桦木纤维异质乙酰化制备,取代度(DS)为 0.6。

<CNF<:从未干燥的桦木纤维经机械 disintegration 获得。

<TOCNF<:TEMPO 氧化桦木纤维,羧酸含量 1.4 mmol/g。

<表征方法<

形貌:AFM 显示 AceCNF 纳米纤维更细,SEM 观察 3D 打印支架微观结构。

表面电荷:ζ- 电位测定显示 AceCNF 为 - 73.5 mV,TOCNF 为 - 82.5 mV,CNF 为 - 47 mV。

流变行为:旋转流变仪测试表明,AceCNF 在 0.5 wt% 时具剪切稀化特性,与 CNF(1.88 wt%)和 TOCNF(1.7 wt%)的流变曲线相似。

三、3D 打印工艺与结构性能

打印参数

.结构性能

尺寸稳定性:AceCNF 和 TOCNF 支架冻干后结构保留,CNF 支架部分塌陷;室温干燥时 CNF 和 TOCNF 收缩 45-50%,AceCNF 收缩 0-15%。

溶胀性:TOCNF 支架溶胀能力最强(14±0.2 g/g),CNF 为 11±0.7 g/g,AceCNF 为 5±0.3 g/g。

孔隙率:AceCNF 因低浓度形成更多孔的结构。

四、细胞实验结果

细胞 viability 与增殖

AlamarBlue assay 显示,AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 细胞在第 1、7 天的活性高于 CNF,21 天时所有支架细胞数量均显著增加,较第一周增长 2-4 倍。

细胞附着与形态

荧光显微镜和 SEM 观察表明,AceCNF 和 TOCNF 表面的细胞附着量多于 CNF,细胞形态良好,显示出良好的生物相容性。

五、结论

AceCNF 可作为无需交联的单组分生物墨水,仅需 0.5 wt% 浓度即可实现 3D 打印。

3D 打印的 AceCNF 支架具优异的尺寸稳定性,适合冻干、复水、灭菌和运输。

支架支持心肌成纤维细胞的附着、增殖和长期存活,在心脏组织工程中具应用潜力。

关键问题

1. 乙酰化纳米纤维素(AceCNF)在 3D 打印中的主要优势是什么?

答案:AceCNF 在 3D 打印中具有显著优势,其仅需 0.5 wt% 的浓度即可获得与未修饰 CNF(1.88 wt%)和 TOCNF(1.7 wt%)相似的流变性能,可实现剪切稀化,适合直接墨水书写(DIW)。此外,AceCNF 打印的支架在冻干后尺寸稳定性优异,收缩率仅 0-15%,远低于 CNF 和 TOCNF 的 45-50%,且孔隙率更高,同时具备良好的复水能力,无需交联剂即可保持结构,简化了制备流程并避免了交联剂的细胞毒性风险。

2. AceCNF 与 TOCNF、CNF 的细胞相容性如何比较?

答案:细胞实验表明,AceCNF 和 TOCNF 的细胞相容性优于 CNF。在第 1 天和第 7 天,AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 心肌成纤维细胞活性显著高于 CNF,且细胞附着量更多。荧光显微镜和 SEM 观察显示,CNF 支架因表面电荷较低(-47 mV)和结构融合问题,细胞附着较少,而 AceCNF(-73.5 mV)和 TOCNF(-82.5 mV)的高表面电荷促进了细胞附着。21 天时,所有支架均支持细胞增殖,但 AceCNF 和 TOCNF 的细胞数量增长更为显著,表明其更适合细胞培养和组织工程应用。

3. 3D 打印支架的溶胀性能对其应用有何影响?

答案:溶胀性能对 3D 打印支架的应用至关重要。TOCNF 支架溶胀能力最强(14±0.2 g/g),因其表面羧基含量高;CNF 为 11±0.7 g/g;AceCNF 最低(5±0.3 g/g),因其乙酰化降低了亲水性。虽然 AceCNF 溶胀性较低,但冻干后复水仍能保持结构,这一特性使其在包装、运输和灭菌过程中更具优势,适合临床应用。溶胀性能还影响细胞微环境,适度的溶胀可促进营养物质运输和代谢废物排出,而 AceCNF 的低溶胀性可能更适合需要稳定机械性能的组织工程场景,如心脏器械,避免因过度溶胀导致结构变形。

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