文章專區

近期，陽明交通大學生物科技系副教授李明家研究團隊，開發出一種具有自我修復能力的奈米複合材料水凝膠，並成功透過仿生3D列印，製造出螺旋24面體（gyroid）細胞骨架與人體外耳，目前此項研究成果已刊登於《生物高分子》（Biomacromolecules）期刊中。

李明家受到蜘蛛吐絲的啟發，進而開發出這項材料。蜘蛛絲是一種具有高強度和高延展性的物質，它的結構和功能更是理想的仿生應用範本。水凝膠的性質與人體組織相像，除了含有大量的水分之外，還能夠模仿目標組織的天然細胞外基質，因此研究團隊開始探索如何以水凝膠模仿蜘蛛絲特性與成分。

由於聚合物「G-polymer」具有不易結晶的特性，能夠在水凝膠系統中透過物理性的隨機纏繞增強材料的可拉伸性，團隊便使用硼酸與G-polymer側鏈的-OH基團形成硼酸酯鍵，這種化學性動態共價鍵能讓材料具備自我修復的特性。此外，水凝膠中的Laponite是一種小小的帶電奈米圓盤，彼此之間能透過靜電作用力在水溶液中自主裝形成卡房（house-of-card）狀結構。若是對水凝膠材料施加一特定大小的剪切力，Laponite間的靜電作用力就會暫時被破壞，進而使材料從原本的凝膠狀態轉變成溶液狀態〔註〕。

〔註〕此現象又被稱為「剪切稀化」（shear thinning），是用來評估水凝膠材料是否具備良好可列印性的參數之一。

團隊也進一步以此材料模仿蜘蛛吐絲過程中的鹽析現象。在鹽析的過程中，水凝膠成分中的蛋白質分子能在高濃度無機鹽離子溶液中，螺旋交纏並強化材料的機械性質，最後在無支撐材料的情況下成功列印出螺旋24面體細胞骨架與人體外耳。未來，此技術可應用於數位孿生生物3D列印，透過生醫影像掃描將真實世界帶入電腦平臺建構出數位仿體，並以流體力學模擬進行生物力學研究，將以往只能在電腦上模擬的情境帶回真實世界。

而水凝膠具有的良好生物相容性，也可投入臨床治療和相關應用研究。團隊設計出的這款奈米複合材料水凝膠，具有良好的材料可拉伸性和自我修復能力，不僅打破了傳統的細胞培養限制，還能透過新的生醫材料、3D列印技術，仿製出類似真實世界中的細胞組織與器官三維結構，可望減少實驗動物的需求、增進動物福祉。

新聞來源
國立陽明交通大學（2024年8月22日）。從蜘蛛吐絲獲啟發，成功列印細胞骨架與人體外耳。國立陽明交通大學焦點新聞，https://reurl.cc/34xdrl