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乙酰化納米纖維素（AceCNF）在3D打印支架上的應用

本文研究了乙酰化納米纖維素（AceCNF）作為單組分生物墨水用于直接墨水書寫（DIW）3D 打印的潛力，其通過木材纖維的異質乙酰化制備，取代度為 0.6。相較于未修飾納米纖維素（CNF）和 TEMPO 氧化納米纖維素（TOCNF），AceCNF 僅需 0.5 wt% 的濃度即可獲得適合 3D 打印的流變性能，打印的支架具有良好的尺寸穩(wěn)定性，在凍干和復水后仍能保持結構，且孔隙率更高。細胞實驗表明，AceCNF 支架支持心肌成纖維細胞的附著、增殖和存活達 21 天，展現出在組織工程和心臟器械中的應用潛力。

一、研究背景與目的

1. 納米纖維素的 3D 打印潛力：納米纖維素的剪切稀化行為和機械強度使其適合 3D 打印，但自聚集和尺寸不穩(wěn)定是主要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法常需交聯(lián)劑，但可能具細胞毒性。
2. 研究目標：開發(fā)無需交聯(lián)的乙酰化納米纖維素（AceCNF）單組分生物墨水，制備尺寸穩(wěn)定的 3D 打印支架，并評估其與心肌成纖維細胞的相互作用。

二、材料制備與表征

1. 材料制備

1. AceCNF：通過樺木纖維異質乙酰化制備，取代度（DS）為 0.6。
2. CNF：從未干燥的樺木纖維經機械 disintegration 獲得。
3. TOCNF：TEMPO 氧化樺木纖維，羧酸含量 1.4 mmol/g。
   2. 表征方法
4. 形貌：AFM 顯示 AceCNF 納米纖維更細，SEM 觀察 3D 打印支架微觀結構。
5. 表面電荷：ζ- 電位測定顯示 AceCNF 為 – 73.5 mV，TOCNF 為 – 82.5 mV，CNF 為 – 47 mV。
6. 流變行為：旋轉流變儀測試表明，AceCNF 在 0.5 wt% 時具剪切稀化特性，與 CNF（1.88 wt%）和 TOCNF（1.7 wt%）的流變曲線相似。

三、3D 打印工藝與結構性能

1. 打印參數

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1. 結構性能

1. 尺寸穩(wěn)定性：AceCNF 和 TOCNF 支架凍干后結構保留，CNF 支架部分塌陷；室溫干燥時 CNF 和 TOCNF 收縮 45-50%，AceCNF 收縮 0-15%。
2. 溶脹性：TOCNF 支架溶脹能力最強（14±0.2 g/g），CNF 為 11±0.7 g/g，AceCNF 為 5±0.3 g/g。
3. 孔隙率：AceCNF 因低濃度形成更多孔的結構。

四、細胞實驗結果

1. 細胞 viability 與增殖

1. AlamarBlue assay 顯示，AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 細胞在第 1、7 天的活性高于 CNF，21 天時所有支架細胞數量均顯著增加，較第一周增長 2-4 倍。
   2. 細胞附著與形態(tài)
2. 熒光顯微鏡和 SEM 觀察表明，AceCNF 和 TOCNF 表面的細胞附著量多于 CNF，細胞形態(tài)良好，顯示出良好的生物相容性。

五、結論

1. AceCNF 可作為無需交聯(lián)的單組分生物墨水，僅需 0.5 wt% 濃度即可實現 3D 打印。
2. 3D 打印的 AceCNF 支架具優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，適合凍干、復水、滅菌和運輸。
3. 支架支持心肌成纖維細胞的附著、增殖和長期存活，在心臟組織工程中具應用潛力。

關鍵問題

1. 乙酰化納米纖維素（AceCNF）在 3D 打印中的主要優(yōu)勢是什么？

答案：AceCNF 在 3D 打印中具有顯著優(yōu)勢，其僅需 0.5 wt% 的濃度即可獲得與未修飾 CNF（1.88 wt%）和 TOCNF（1.7 wt%）相似的流變性能，可實現剪切稀化，適合直接墨水書寫（DIW）。此外，AceCNF 打印的支架在凍干后尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，收縮率僅 0-15%，遠低于 CNF 和 TOCNF 的 45-50%，且孔隙率更高，同時具備良好的復水能力，無需交聯(lián)劑即可保持結構，簡化了制備流程并避免了交聯(lián)劑的細胞毒性風險。

2. AceCNF 與 TOCNF、CNF 的細胞相容性如何比較？

答案：細胞實驗表明，AceCNF 和 TOCNF 的細胞相容性優(yōu)于 CNF。在第 1 天和第 7 天，AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 心肌成纖維細胞活性顯著高于 CNF，且細胞附著量更多。熒光顯微鏡和 SEM 觀察顯示，CNF 支架因表面電荷較低（-47 mV）和結構融合問題，細胞附著較少，而 AceCNF（-73.5 mV）和 TOCNF（-82.5 mV）的高表面電荷促進了細胞附著。21 天時，所有支架均支持細胞增殖，但 AceCNF 和 TOCNF 的細胞數量增長更為顯著，表明其更適合細胞培養(yǎng)和組織工程應用。

3. 3D 打印支架的溶脹性能對其應用有何影響？

答案：溶脹性能對 3D 打印支架的應用至關重要。TOCNF 支架溶脹能力最強（14±0.2 g/g），因其表面羧基含量高；CNF 為 11±0.7 g/g；AceCNF 最低（5±0.3 g/g），因其乙酰化降低了親水性。雖然 AceCNF 溶脹性較低，但凍干后復水仍能保持結構，這一特性使其在包裝、運輸和滅菌過程中更具優(yōu)勢，適合臨床應用。溶脹性能還影響細胞微環(huán)境，適度的溶脹可促進營養(yǎng)物質運輸和代謝廢物排出，而 AceCNF 的低溶脹性可能更適合需要穩(wěn)定機械性能的組織工程場景，如心臟器械，避免因過度溶脹導致結構變形。

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