水凝膠，是生物技術(shù)領(lǐng)域的研究人員相當(dāng)熟悉的一種材料，它是一種高分子網(wǎng)絡(luò)體系，性質(zhì)柔軟，具有很好的生物相容性能保持一定的形狀，能吸收大量的水，在生物醫(yī)藥方面的研究中使用得相當(dāng)?shù)膹V泛。一般的合成水凝膠性質(zhì)往往既脆又弱，不過如今這一狀況可能會有所改變。

近日，發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上的一篇論文稱，研究人員已經(jīng)找到一種方法，可以制作出非常堅(jiān)韌結(jié)實(shí)的水凝膠，而且這種材料也可以支持將細(xì)胞封裝在其結(jié)構(gòu)內(nèi)。該論文的題目是《用高伸縮性堅(jiān)韌水凝膠3D打印復(fù)雜的細(xì)胞化結(jié)構(gòu)（3D Printing of Highly Stretchable and Tough Hydrogels into Complex, Cellularized Structures）》。

那么，這一消息的重要性在哪里呢？

最關(guān)鍵的是，由于該水凝膠變得更加堅(jiān)韌、結(jié)實(shí)，它的可應(yīng)用范圍將大大增加。而對于3D打印領(lǐng)域來說，這意味著它能夠被3D打印，也既是它可以用于更加精細(xì)的定制化生物制造。這些水凝膠將成為制造軟機(jī)器人上的致動(dòng)器的完美解決方案。而最讓人感興趣的是，這種“超級水凝膠”可用于3D打印可置換關(guān)節(jié)以及人類鼻子、耳朵軟骨。

“這種材料是一種真正的創(chuàng)新——可作為3D打印新油墨的高強(qiáng)度生物相容性水凝膠。”麻省理工學(xué)院（MIT）副教授、論文的共同作者之一趙宣和（Xuanhe Zhao）稱。“具體來說，它是由兩種不同生物聚合物制成的復(fù)合材料。這兩種材料每種單獨(dú)看來都十分脆弱，一旦你把它們放在一起，就會變得非常堅(jiān)韌和結(jié)實(shí)。這就像鋼筋與混凝土的關(guān)系。”

這些水凝膠的屬性與人類軟骨相似，但性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于真正的人類軟骨。例如，它們可被3D打印成各種不同的形狀，比如金字塔、螺旋、中空立方體等等。它們可以3D打印成一個(gè)人的鼻子或耳朵的形狀，以及人體關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的形狀。尤其值得一提的是，該水凝膠的可壓縮率接近99%，從下面的視頻可以看到，一個(gè)3D打印的水凝膠金字塔可以被壓縮至幾乎達(dá)到一張紙的厚度，放松之后它會很容易地反彈到原來的形狀。它還能被拉伸至原有大小的5倍。

研究人員也能很容易地調(diào)整其粘度使其可以作為3D打印材料。另外它的強(qiáng)度也比普通的人類軟骨強(qiáng)得多，這意味它可以成為非常完美的人類關(guān)節(jié)軟骨的替代材料。

之前的水凝膠除了無法3D打印之外，而要獲得堅(jiān)韌的屬性就要加入一些特殊的化學(xué)品，這就幾乎無法用它們來封裝活細(xì)胞，因?yàn)檫@些化學(xué)物質(zhì)會很快都讓它們死光光。

而這種新型的水凝膠能則能夠填裝各種活的細(xì)胞，比如干細(xì)胞，而不會使其受到任何損害。這就為未來的醫(yī)療應(yīng)用帶來各種各樣的可能性。

用該水凝膠材料在各種尺度下制造的結(jié)構(gòu)，最小可達(dá)分子水平（上圖）。使用該材料3D打印出來的對象彈性非常好，它可以被壓平，然后彈回到原有形狀（下圖）

組成該超級水凝膠的聚合物之一提供了極端的彈性，而另一種聚合物則可以保證其在變形時(shí)不至于像普通的脆性水凝膠那樣裂開。而研究人員還在這兩種聚合物中加入了具有生物相容性的“納米粘土”，使得可以精準(zhǔn)地控制該水凝膠從3D打印機(jī)的噴嘴中流出。

目前，研究人員們正在努力完善這種材料的3D打印方法。當(dāng)前的3D打印機(jī)已經(jīng)能夠使用該材料以500微米的精度打印3D對象，預(yù)計(jì)這一精度將很快能夠進(jìn)一步提高。