超声成像具有实时、低成本等优点，被广泛用于人体内部器官成像和血流测量，能够指导和检测医学治疗过程，显著提高了医疗的有效性。成像领域的进一步发展则依赖于弹性组织模型的开发，目前水凝胶、油凝胶和硅弹性体等材料常被用于制备弹性组织代用品。聚乙烯醇水凝胶因其高含水量、低摩擦性和生物相容性被广泛使用，其弹性与人体动脉的弹性相似，适合于构建与真实生物力学特征相似的动脉模型。然而，目前的水凝胶成型过程通常需要耗时的冻融过程，易出现结构变形等问题，且缺乏对模型硬度的精准控制。近日，滑铁卢大学唐晓武教授/江南大学吴赟博士开发了一种缩水甘油醚和纤维素纳米晶组成的打印墨水，利用嵌入直接书写打印方式直接一步打印出了可超声成像的仿生动脉模型，打印模型显示出了优异的弹性和生物相容性，与超声成像具有良好的兼容性。在超声成像下，打印动脉模型中血液流动行为可用于模拟健康和动脉硬化的行为，有望在生物医学研究中得到广泛应用。这项工作以“Embedded 3D Printing of Ultrasound-Compatible Arterial Phantoms with Biomimetic Elasticity”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。研究人员首先利用聚乙烯醇（PVA）和缩水甘油醚（GMA）在碱性条件下的酯化和开环聚合制备了光交联的PVAGMA。通过改变PVA和GMA的比例，制备了六种PVAGMA样品（图1）。单一PVAGMA溶液仅显示出有限的剪切变稀行为，而引入纤维素纳米晶（CNC）可以明显提高溶液的剪切变稀能力（图2）。图1. 光交联PVAGMA的合成图2. PVAGMA/CNC的流变性研究人员以部分交联的海藻酸和黄原胶作为透明支撑材料，采用嵌入直接书写打印的方式将PVAGMA/CNC水凝胶在支撑材料中直接打印成形，原位紫外光交联确保了结构的保真性，避免打印墨水由于重力作用而出现下沉。研究人员设计了一个双注射器系统并打印了多段空心管模型，打印的结构显示出极大的强度和结构完整性（图3）。细胞实验证实了PVAGMA/CNC是无细胞毒性的，循环加载实验结果则说明了打印模型在10% 的恒定应变下具有良好的机械稳定性（图4），表明打印水凝胶具有足够的力学强度，并拥有良好的恢复能力。图3. 3D打印模型图4. 打印模型的力学性能研究人员为了研究打印血管的功能性，将直管模型组装到一个血液灌注模拟器中，由一个流动泵驱动。利用超声成像技术对打印血管的声学特性进行了表征，血管模型和组织模拟板显示出了与人类动脉和组织相似的声学特性。研究人员通过构筑三种力学性能不同的血管模型，模拟了健康和硬化动脉中的血液流动行为（图5），不同力学性能的血管中显示出了不同的血液流速曲线（图6），可以有效模拟局部动脉硬化过程，有望用于研究动脉疾病机制。图5.打印血管中的血流成像图6. 打印血管中的血液流动速度小结：研究人员开发了一种由PVAGMA和CNC组成的新型墨水材料，能够直接3D打印与超声成像相兼容的动脉模型，打印模型具有高分辨率（≈100微米）、结构完整性和图案保真度的分层结构。打印血管具有着良好的机械稳定性，其生物力学行为与原生动脉相当，有望成为制造人工血管的理想生物材料。利用这一材料的声学兼容性，还能够通过超声成像来观察血液流动下的血管动态，可以成为制备具有病灶性病变等特征的动脉模拟物的候选材料，有望在生物医学研究中实现重要应用。--纤维素----帮测科技--全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110153来源：高分子科学前沿声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！}