受到蜘蛛吐絲的啟發，陽明交大生物科技系副教授李明家今日宣布，開發出具有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，更作為創新材料發表到《Biomacromolecules》創刊 25 周年封面故事。
李明家表示，蜘蛛絲具有高強度和高延展性，結構和功能提供一個理想的仿生範例，而水凝膠含有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，因此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，提高材料的可拉伸性和自我修復能力。
李明家指出，這款奈米複合材料「水凝膠」，突破傳統細胞培養的限制，能夠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的三維結構與環境，可減少動物實驗的需求，進而增進動物的福祉。
為了開發這個水凝膠，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，並研究使用硼酸與 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。
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的剪切力，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，稱為剪切稀化，為一評估水凝膠材料是否具備良好可列印性的參數之一。
而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的無機鹽離子溶液會螺旋交纏，進一步強化材料機械性質，並在無支撐材料的情況，成功列印出螺旋 24 面體細胞骨架與人體外耳，更可應用到數位孿生生物 3D 列印，建構仿體把模擬帶回真實的世界，並有良好的生物相容性，可投入臨床治療和相關應用研究。
（首圖來源：陽明交大）
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