從蜘蛛吐絲獲啟發 陽明交大團隊開發水凝膠列印細胞骨架

〔記者洪美秀／新竹報導〕受蜘蛛吐絲功能啟發，陽明交大生物科技系副教授李明家開發出具自我修復能力的奈米複合材料水凝膠，並成功透過仿生3D列印出螺旋24面體（Gyroid）細胞骨架與人體外耳。這項躍上《Biomacromolecules》創刊25周年封面故事的創新材料，突破傳統細胞培養的限制，透過新的生醫材料與3D列印技術，讓科學家得以仿製出類似真實世界中的細胞組織與器官之三維結構與環境，可減少動物實驗的需求。

李明家解釋，蜘蛛絲具高強度和高延展性，結構和功能提供了一個理想的仿生範例。而水凝膠含大量水分與人體組織相像，能夠模仿目標組織的天然細胞外基質等特性。研究團隊研究水凝膠如何能模仿蜘蛛絲特性，最後設計一種奈米複合材料水凝膠，可提高材料的可拉伸性和自我修復能力。

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為開發這個水凝膠，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。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。

此外，水凝膠中的Laponite是一種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一種卡房（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，此一現象稱為剪切稀化。

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：透過生醫影像掃描把真實世界帶入電腦平台建構數位仿體，透過流體力學模擬進行生物力學研究。且可透過3D列印技術，建構仿體把模擬帶回真實的世界，未來可投入臨床治療和相關應用研究。