乙酰化纳米纤维素（AceCNF）在3D打印支架上的应用

本文研究了乙酰化纳米纤维素（AceCNF）作为单组分生物墨水用于直接墨水书写（DIW）3D 打印的潜力，其通过木材纤维的异质乙酰化制备，取代度为 0.6。相较于未修饰纳米纤维素（CNF）和 TEMPO 氧化纳米纤维素（TOCNF），AceCNF 仅需 0.5 wt% 的浓度即可获得适合 3D 打印的流变性能，打印的支架具有良好的尺寸稳定性，在冻干和复水后仍能保持结构，且孔隙率更高。细胞实验表明，AceCNF 支架支持心肌成纤维细胞的附着、增殖和存活达 21 天，展现出在组织工程和心脏器械中的应用潜力。

一、研究背景与目的

1. 纳米纤维素的 3D 打印潜力：纳米纤维素的剪切稀化行为和机械强度使其适合 3D 打印，但自聚集和尺寸不稳定是主要挑战。传统方法常需交联剂，但可能具细胞毒性。
2. 研究目标：开发无需交联的乙酰化纳米纤维素（AceCNF）单组分生物墨水，制备尺寸稳定的 3D 打印支架，并评估其与心肌成纤维细胞的相互作用。

二、材料制备与表征

1. 材料制备

1. AceCNF：通过桦木纤维异质乙酰化制备，取代度（DS）为 0.6。
2. CNF：从未干燥的桦木纤维经机械 disintegration 获得。
3. TOCNF：TEMPO 氧化桦木纤维，羧酸含量 1.4 mmol/g。
   2. 表征方法
4. 形貌：AFM 显示 AceCNF 纳米纤维更细，SEM 观察 3D 打印支架微观结构。
5. 表面电荷：ζ- 电位测定显示 AceCNF 为 – 73.5 mV，TOCNF 为 – 82.5 mV，CNF 为 – 47 mV。
6. 流变行为：旋转流变仪测试表明，AceCNF 在 0.5 wt% 时具剪切稀化特性，与 CNF（1.88 wt%）和 TOCNF（1.7 wt%）的流变曲线相似。

三、3D 打印工艺与结构性能

1. 打印参数

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1. 结构性能

1. 尺寸稳定性：AceCNF 和 TOCNF 支架冻干后结构保留，CNF 支架部分塌陷；室温干燥时 CNF 和 TOCNF 收缩 45-50%，AceCNF 收缩 0-15%。
2. 溶胀性：TOCNF 支架溶胀能力最强（14±0.2 g/g），CNF 为 11±0.7 g/g，AceCNF 为 5±0.3 g/g。
3. 孔隙率：AceCNF 因低浓度形成更多孔的结构。

四、细胞实验结果

1. 细胞 viability 与增殖

1. AlamarBlue assay 显示，AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 细胞在第 1、7 天的活性高于 CNF，21 天时所有支架细胞数量均显著增加，较第一周增长 2-4 倍。
   2. 细胞附着与形态
2. 荧光显微镜和 SEM 观察表明，AceCNF 和 TOCNF 表面的细胞附着量多于 CNF，细胞形态良好，显示出良好的生物相容性。

五、结论

1. AceCNF 可作为无需交联的单组分生物墨水，仅需 0.5 wt% 浓度即可实现 3D 打印。
2. 3D 打印的 AceCNF 支架具优异的尺寸稳定性，适合冻干、复水、灭菌和运输。
3. 支架支持心肌成纤维细胞的附着、增殖和长期存活，在心脏组织工程中具应用潜力。

关键问题

1. 乙酰化纳米纤维素（AceCNF）在 3D 打印中的主要优势是什么？

答案：AceCNF 在 3D 打印中具有显著优势，其仅需 0.5 wt% 的浓度即可获得与未修饰 CNF（1.88 wt%）和 TOCNF（1.7 wt%）相似的流变性能，可实现剪切稀化，适合直接墨水书写（DIW）。此外，AceCNF 打印的支架在冻干后尺寸稳定性优异，收缩率仅 0-15%，远低于 CNF 和 TOCNF 的 45-50%，且孔隙率更高，同时具备良好的复水能力，无需交联剂即可保持结构，简化了制备流程并避免了交联剂的细胞毒性风险。

2. AceCNF 与 TOCNF、CNF 的细胞相容性如何比较？

答案：细胞实验表明，AceCNF 和 TOCNF 的细胞相容性优于 CNF。在第 1 天和第 7 天，AceCNF 和 TOCNF 支架上的 H9C2 心肌成纤维细胞活性显著高于 CNF，且细胞附着量更多。荧光显微镜和 SEM 观察显示，CNF 支架因表面电荷较低（-47 mV）和结构融合问题，细胞附着较少，而 AceCNF（-73.5 mV）和 TOCNF（-82.5 mV）的高表面电荷促进了细胞附着。21 天时，所有支架均支持细胞增殖，但 AceCNF 和 TOCNF 的细胞数量增长更为显著，表明其更适合细胞培养和组织工程应用。

3. 3D 打印支架的溶胀性能对其应用有何影响？

答案：溶胀性能对 3D 打印支架的应用至关重要。TOCNF 支架溶胀能力最强（14±0.2 g/g），因其表面羧基含量高；CNF 为 11±0.7 g/g；AceCNF 最低（5±0.3 g/g），因其乙酰化降低了亲水性。虽然 AceCNF 溶胀性较低，但冻干后复水仍能保持结构，这一特性使其在包装、运输和灭菌过程中更具优势，适合临床应用。溶胀性能还影响细胞微环境，适度的溶胀可促进营养物质运输和代谢废物排出，而 AceCNF 的低溶胀性可能更适合需要稳定机械性能的组织工程场景，如心脏器械，避免因过度溶胀导致结构变形。

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