研究内容
1. 材料体系设计与粘附机制
研究团队开发了一种基于接枝互穿网络的聚合物体系：由N-羟基琥珀酰亚胺酯（NHS）功能化的聚丙烯酸（PAA-NHS），与亲水聚氨酯（PU）互穿并接枝，形成PU-PAA-NHS聚合物网络。
粘附机制：
① 快速除水：PAA链的高浓度带电羧酸基团可快速吸收界面水，配合网格孔隙的毛细管作用，数秒内清除粘合剂-组织界面的水分，实现与湿组织的快速贴合；
② 化学键合：NHS酯基团可与组织表面的伯胺反应形成共价酰胺键，实现稳定的界面结合；
③ 能量耗散：PU中的硬段通过动态氢键相互作用，在形变过程中提供高效的能量耗散机制，大幅提升材料的粘附韧性与拉伸性能。
d：3D打印过程照片，以及干燥和溶胀状态下3D打印网格贴片的显微照片；
e：打印后的贴片被扭曲和拉伸的照片，展现优异的柔性与拉伸性；
f：粘附机制示意图，通过材料水合和网格孔隙的毛细作用快速清除界面水，实现与组织的快速结合，通过分子间作用力和共价键稳定粘附效果；
g：3D可打印组织粘合剂共聚物的关键化学基团：聚氨酯（PU）中的氢键形成基团，以及聚丙烯酸（PAA）上与NHS酯偶联的组织相互作用基团。
2. 材料合成与可打印性优化
采用光引发聚合法实现PU-PAA接枝互穿网络的一步法合成：在含有PU、丙烯酸（AA）、α-酮戊二酸和二苯甲酮的溶液中，通过紫外光激活聚合反应。其中α-酮戊二酸作为AA聚合的引发剂，二苯甲酮则在PU上产生自由基位点，实现PAA向PU的共价接枝。
通过透析纯化产物后，利用EDC偶联剂对PAA链进行NHS酯功能化，实现约10%的羧酸基团NHS功能化，最终制备打印墨水。
打印性能优化：
① 浓度优化：总聚合物浓度低于15 w/w%的墨水易铺展，形状保真度差；高于25 w/w%的墨水易堵塞喷嘴，难以挤出；最优配方为15 w/w% PU-PAA + 5 w/w% PU，具备优异的打印适配性；
② 流变性能：墨水具备显著的剪切变稀行为，可通过200μm喷嘴顺利挤出，挤出后可保持形状，实现稳定的层叠打印；
③ 精度调控：可通过调整挤出压力和打印头速度，精准控制丝径和孔隙尺寸，实现可编程的结构设计。
b-c：不同前驱体组成制备材料的FTIR光谱，验证了PAA的成功接枝；
d：不同NHS功能化程度的组织粘合剂样品的1H NMR光谱；
e：不同聚合物浓度的组织粘合剂墨水的表观粘度随剪切速率的变化，展现剪切变稀特性；
f：不同聚合物浓度墨水的剪切储能模量随剪切应力的变化；
g：丝宽随打印速度的变化规律，验证了打印精度的可控性。
3. 粘附性能与力学可调性表征
研究团队对打印后的粘合剂贴片进行了系统的性能测试，核心性能指标远超商用产品：
| 性能指标 | 本研究3D打印粘合剂 | 商用产品对标 |
|---|---|---|
| 湿组织界面韧性 | >300 J·m⁻² | 显著优于Coseal、TachoSil、Tegaderm |
| 粘附剪切强度 | >75 kPa | 远超商用产品水平 |
| 爆破压力 | >26 kPa | 高于高血压收缩压(17-19 kPa)、胸腔内压(6-8 kPa)，显著优于商用产品 |
力学性能可编程调控：
通过调整打印结构的几何参数，可精准调控贴片的力学性能：
① 改变填充密度，可调控贴片的有效杨氏模量，实现从50 kPa到200 kPa的宽范围调整；
② 改变交替打印层之间的排列角度，可实现各向异性的力学性能，匹配不同组织的力学特性；
③ 受组织中波浪形胶原纤维启发，设计了波形打印结构，实现了与生物组织匹配的J型应力-应变曲线，可通过弯折角α精准调控应变硬化的转变点。
c：3D打印组织粘合剂与商用产品的爆破压力对比；
d：3D打印结构的可调几何参数；
e：不同填充密度的3D打印贴片的有效初始杨氏模量；
f：交替打印层之间不同排列角度的3D打印贴片的各向异性有效杨氏模量；
g：具有不同胶原纤维排列模式的各类猪组织的H&E染色组织学图像；
h-i：胶原纤维启发的波形结构贴片的单轴拉伸示意图与应力-应变曲线，验证了力学性能的可编程设计。
4. 生物相容性与体内修复效果验证
生物相容性与降解性：
① 体外细胞实验：小鼠成纤维细胞与打印贴片浸提培养基共培养，细胞活力与空白对照组无显著差异，与商用TachoSil、Coseal产品相当，无明显细胞毒性；
② 体内大鼠皮下植入实验：植入2周和4周后，贴片仅引发轻度炎症反应，4周时因水解降解植入物体积逐渐减小，炎症水平与降解性能与商用TachoSil相当，具备良好的体内生物相容性。
体内缺损修复效果：
构建了两种临床高难度的大鼠缺损模型，验证贴片的实际应用效果：
① 气管缺损模型：在大鼠气管构建2mm×1mm的椭圆形缺损，打印贴片仅需10秒轻柔按压即可实现气密密封，4周后缺损完全修复，无泄漏、无明显气管狭窄，贴片保持粘附且部分降解，仅伴轻度炎症；
② 结肠缺损模型：在大鼠结肠构建5mm切口缺损，贴片10秒内实现液密密封，4周后结肠缺损完全修复，无脓肿、无泄漏，贴片仍粘附于损伤部位并部分降解，解决了临床胃肠道缺损渗漏易引发感染、败血症的核心痛点。
b：3D打印贴片修复大鼠气管缺损4周后的代表性照片与H&E染色组织学图像；
c：3D打印贴片修复大鼠结肠缺损4周后的代表性照片与H&E染色组织学图像；
组织学图像中*代表植入材料，所有动物模型均进行了3次独立实验，结果一致。
5. 抗出血粘附贴片设计与验证
针对血液环境下粘合剂易失效的临床难题，研究团队利用3D打印的设计自由度，开发了液体灌注抗血贴片：在3D打印多孔网格结构中整合胶原海绵，浸润疏水性油酸，构建了防血液浸润的粘附体系。
抗血粘附机制：疏水性液体形成物理屏障，阻止血液污染粘附界面；施加压力后，疏水性液体可通过网格孔隙排出，使粘合剂与组织直接接触，快速形成稳定粘附。
体内实验验证：该贴片可在10秒按压内，实现大鼠肝脏活动性出血缺损（5mm长、2mm深切口）、股动脉活动性出血缺损（约2mm切口）的快速止血与密封，解决了活动性出血创面难以粘附的行业痛点。
b：油灌注贴片粘附于浸没在血浴中的猪皮的照片；
c：抗血液、油去润湿与组织粘附过程的示意图；
d：油灌注3D打印贴片与涂油光滑贴片的爆破压力-施加压力对比，多孔打印贴片可在更低压力下实现更高的密封强度；
e-f：油灌注3D打印贴片修复大鼠肝脏、股动脉活动性出血缺损的体内应用照片，10秒按压即可实现止血密封。
6. 3D打印组织界面器件拓展应用
突破伤口闭合的单一应用，利用该3D打印平台，开发了多种一体化组织界面器件，拓展了应用边界：
① 生物电子贴片：3D打印一体化的粘附型生物电子贴片，集成LED电路，可稳定粘附于离体猪心脏，在心脏动态运动过程中保持电极与组织的紧密接触，LED持续点亮，为电生理信号传感与刺激的可穿戴/植入式器件提供了新方案；
② 图案化载药贴片：将模型药物（荧光素）直接混入打印墨水，实现了药物释放区域的精准空间图案化，可在粘附部位实现局部、定向的药物递送；
③ 可控释药储库贴片：打印了带可填充药物储库的粘附贴片，可通过调整界面孔隙尺寸调控药物释放速率，实现长效局部给药，降低全身给药的高剂量副作用。
c-d：负载模型药物（荧光素）的3D打印组织粘合剂贴片设计，以及在猪皮上的药物释放与扩散验证；
e-f：带可填充药物储库的组织粘合剂贴片设计，以及通过不同孔径界面调控药物释放的验证。
