陽明交大開發奈米複合材料水凝膠 成功列印細胞骨架與人體外耳

陽明交通大學生物科技系副教授李明家開發出具有自我修復能力的奈米複合材料水凝膠，併成功透過仿生3D列印出螺旋24面體（Gyroid）細胞骨架與人體外耳。（陽明交大提供／陳育賢新竹傳真）

陽明交通大學生物科技系副教授李明家帶領團隊，成功透過仿生3D列印出螺旋24面體（Gyroid）細胞骨架與人體外耳。（陽明交大提供／陳育賢新竹傳真）

受到蜘蛛吐絲的啓發，國立陽明交通大學生物科技系副教授李明家開發出具有自我修復能力的奈米複合材料水凝膠，併成功透過仿生3D列印出螺旋24面體（Gyroid）細胞骨架與人體外耳，可減少動物實驗的需求，進而增進動物的福祉。

李明家指出，蜘蛛絲具有高強度和高延展性，結構和功能提供了理想的仿生範例。而水凝膠含有大量水分與人體組織相像，並且能夠模仿目標組織的天然細胞外基質等特性。因此研究團隊開始研究水凝膠如何能模仿蜘蛛絲特性，最後設計了1種奈米複合材料水凝膠，可以提高材料的可拉伸性和自我修復能力。

爲了開發這個水凝膠，研究團隊模仿蜘蛛絲的成分，利用G-polymer不易結晶的特性，讓其在水凝膠系統中透過物理性隨機纏繞，增強材料的可拉伸性。

此外，研究使用硼酸與G-polymer側鏈的-OH基團所形成硼酸酯鍵，這種化學性動態共價鍵能讓材料具備自我修復的特性。

另，水凝膠中的Laponite是小小的帶電奈米圓盤，由於靜電作用力使Laponite彼此間能在水溶液中自主裝形成卡房（house-of-card）結構，一旦對該水凝膠材料施加一特定大小之剪切力，該靜電作用力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，此一現象稱爲剪切稀化，爲一評估水凝膠材料是否具備良好可列印性的參數之一。

在模仿蜘蛛吐絲過程中的鹽析現象，水凝膠成分中的蛋白質分子在高濃度之無機鹽離子溶液會螺旋交纏進一步強化材料機械性質，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。

此技術可應用於數位孿生生物3D列印，並透過生醫影像掃描把真實世界帶入電腦平臺建構數位仿體，透過流體力學模擬進行生物力學研究，從而透過3D列印技術，建構仿體把模擬帶回真實的世界，此良好的生物相容性，可投入臨牀治療和相關應用研究。