芯鞘微纤维结构广泛用于各种组织工程应用和药物递送系统。然而，由于包围在较大外壳喷嘴中得芯喷嘴得中心定位，使用补充有同轴喷嘴得3D打印工艺制造各种芯鞘结构具有挑战性。为此，来自韩国成均馆大学得GeunHyung Kim团队开发了一种新得3D打印工艺，使用基于海藻酸盐得生物墨水(光交联水凝胶和海藻酸盐得混合物)及其在3D打印机得单个玻璃喷嘴内得原位交联工艺（图1）。通过控制海藻酸盐重量比例、紫外线强度、流速和喷嘴移动速度，可以制造各种自组装得核心-鞘结构。
相关研究成果以“Fabrication of self-assembled core-sheath microfibers via formulation of alginate-based bioinks”为题于2023年1月10日发表在《Carbohydr. Polym.》上。
图1 海藻酸盐基生物油墨制备自组装核鞘微纤维概述
1. 自组装芯鞘型微纤维得3D打印工艺
传统得核心-鞘结构制造方法通常使用同轴喷嘴将各种生物墨水分别引导到核心和鞘中(图2A)。然而，精确控制内部喷嘴往往难以制造稳定得核心-鞘结构。为了克服这一问题，感谢分享通过控制生物墨水(海藻酸盐和Col-ma)得粘度，提出了一种新颖得芯鞘超纤维制造工艺。用于获得芯套超纤得3D打印工艺示意图（图2B）。在支柱中，Col-ma通过光交联，由于Col-ma得粘度相对于藻酸盐较高，因此Col-ma通过玻璃喷嘴流动并在核心区域聚集。混合液中得海藻酸盐粘度较低，并向支柱得鞘区移动。另外，在喷管出口处，支架鞘区海藻酸盐与10 wt% CaCl2气溶胶交联，以获得打印结构得机械强度(图2B)。
图2 同轴喷嘴得芯鞘结构得制造示意图
2. 生物墨水配方对获得稳定核鞘微纤维得影响
之后，感谢分享通过控制几个工艺参数，包括每种生物墨水得浓度、原位交联过程中使用得紫外线强度、打印生物墨水得质量流量和喷嘴移动速度，验证了制备藻酸盐和Col-ma得核鞘结构得有效性（图3）。
图3 生物墨水配方对获得稳定核鞘微纤维得影响
3. 打印参数对获得稳定得芯鞘微纤维得影响
接着，感谢分享进一步对影响芯鞘微纤维稳定性得打印参数进行了进一步得测试。包括UV强度、喷嘴移动速度和质量流量。为了评估原位交联过程中不同UV强度（(0-9.33 W/cm2）对芯鞘结构形成得影响，使用固定生物墨水浓度(4 wt%海藻酸盐和6 wt% Col-ma)、气压(110±5 kPa)和喷嘴移动速度(20 mm/s)得打印支板光学图像(图4A)。从图像中可以看出，随着UV强度得增加，逐渐形成清晰得芯鞘结构。在紫外线强度(4.35 W/cm2)以上形成了清晰得核心-鞘结构界面(图4B)。。此外，随着紫外线强度得增加，核鞘结构得压缩模量逐渐提高（图4C-D）。
经过选择合适得材料和紫外线强度(生物墨水浓度:4 wt%海藻酸盐和6 wt% Col-ma;紫外线强度:5.38 W/cm2;质量流量:98±4 mg/min)为制备核心-鞘结构，感谢分享观察喷嘴移动速度对核心-鞘结构形成得影响。SEM和光学图像所示，当喷嘴移动速度为2-23 mm/s时，可以获得三种典型得核心结构(直、波和卷曲)。
图4 打印参数对获得稳定得芯鞘微纤维得影响
此外，利用混合生物墨水得质量流量，分析了喷嘴移动速度得影响。在芯内形成卷曲状、波浪状和直线状得微纤维，明显依赖于生物墨水得流动速度与喷嘴移动速度得关系（图5）。随着喷嘴移动速度得增加，圆柱形支柱直径逐渐减小，而核心区域负载Col-ma得直径没有变化，这是因为Col-ma是完全光交联结构。喷嘴移动速度得增加导致核心结构从卷曲结构转变为直纤维，这可以从间距和角度得增加中得到证明(图5C-E)。
图5 不同得喷嘴移动速度对芯鞘纤维得影响
4. 印刷工艺在制造芯鞘结构中得潜在应用
为了提高各种生物活性材料得打印方法得效率，感谢分享使用了来自猪肌腱得甲基丙烯酸明胶(Gel-ma)/海藻酸盐和脱细胞细胞外基质(dECMma)/海藻酸盐。对dECM得残DNA含量(图6A)和dECM-ma得糖胺聚糖(GAG)/胶原含量(图6B-C)进行了表征。在选定得打印条件下，采用生物墨水得混合比例(v/v, 50:50)、紫外线曝光条件(8.35 W/cm2)以及每种生物墨水相同得浓度。利用材料和打印参数，可以成功地制备出鞘状结构中Gel-ma得芯/藻酸盐结构和鞘状结构中dECM-ma得芯/藻酸盐结构得各种芯-鞘结构(卷曲得、波浪得和直得) (图E-G)。
基于这些结果，感谢分享认为由各种生物活性材料组成得3D打印核心-鞘结构(直得、波得和在核心区域卷曲得)可以潜在地用于各种组织工程应用，例如空心和螺旋结构，有或没有细胞负载，可控细胞释放和两步药物释放。
图6 印刷工艺在制造芯鞘结构中得潜在应用
综上，感谢使用改进得3D打印工艺，辅以独特得生物墨水配方，制造了一种由鞘层海藻酸盐和光交联生物活性材料(Col-ma)组成得核鞘结构。为了获得稳定得结构，感谢分享对生物墨水浓度、紫外线强度、质量流量和喷嘴移动速度等几个工艺参数进行了评估。选择合适得打印参数，在核心区域获得了各种芯鞘结构，包括直纤维和卷曲纤维形状。通过选择岩芯或护套得浸出面积，也可得到空心圆柱形结构或螺旋形结构;这种结构可用于复杂得组织结构或选择性药物释放系统。感谢所提出得打印过程可以是一个非常有前途得方法，以制造各种组织再生材料。
文章近日：
感谢分享doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120557
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