《Materials & Design》：直写3D共打印：打印材料设计与异质组织结构的工作流程

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分类：行业动态
发布时间：2023-02-21 09:46
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2023年2月13日，哈尔滨工业大学、中科院、德国弗赖堡大学的研究人员联合在《Materials & Design》期刊上发表题为Extrusion-based 3D co-printing: Printing material design and novel workflow for fabricating patterned heterogeneous tissue structures的研究论文，通过介绍独特的结构墨水的设计和制备方法，并通过演示E3DP工艺的可行性，报道了基于挤出的3d打印结构墨水。由于该方法具有多种可打印的异构结构，因此也可以应用于其他研究，如软体机器人和柔性可穿戴设备。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111737

研究简介

基于挤出的3D打印(E3DP)由于可获得的生物材料和细胞范围广泛且成本低，通常用于体外和原位生物制造。然而，由于墨水性能的限制，这种功能性支架的制造具有很大的挑战性，必须与组织的物理化学和生物学特性相匹配。本研究旨在通过控制打印前的材料分布来弥补这一差距。本文提出了一种制备E3DP结构墨水的新方法。通过墨水制备和工艺参数优化验证了该工艺的可行性。这些墨水是由铸造和3D打印集成技术制造的。采用计算流体动力学(CFD)模拟方法，对油墨在喷口通道中的流动进行了模拟。通过对挤出纤维截面的分析，确定了这些墨水的几何参数。研究了具有核壳截面的结构墨水对打印纤维的影响机理。以具有对称截面的墨水为例，说明其不同的可打印结构。最后，提出了一种用于E3DP的结构化打印材料设计和制造的新工作流程。这种方法可以丰富E3DP，同时促进异质组织结构的制造。

研究内容解读

组织工程和再生医学为病变和受损组织修复提供了可选的解决方案，特别是在最近三十年。体外工程化组织结构最重要的目标之一是模拟体内组织。相关因素，如组织刚度、生化特性和细胞行为，被用来表征其性能。然而，由于人体组织和器官的复杂结构，模拟人体组织和器官并不容易。异质模式模型在一定程度上可以接近人体内的细胞微环境，指导有利于细胞迁移、增殖和分化，促进组织形成。以血管为例，组织(包括动脉、小动脉、毛细血管、静脉和小静脉)是分层结构的。内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞呈分层分布。不仅限于血管，软骨等许多组织在空间上也具有等级分布。如何构建异构结构是一个亟待解决的问题。

同轴3D打印是传统E3DP的常见衍生工艺。该技术采用集成了多个微流体通道的同轴喷嘴来控制多种材料的同时挤出。在挤出过程中，多种材料通过喷嘴结构进行物理分离。为了扩展现有的异质结构3D打印技术，研究人员假设模具仅作为构建结构化墨水的工具，并且在最终的墨水组件之间没有发现模具，如图1B所示。

为了验证这一想法，研究人员选择海藻酸盐和明胶水凝胶作为材料组分，因为它们具有良好的成形性、生物相容性、高含水量和可降解性。选择明胶浓度，通过温度敏感交联来考虑临时打印结构。确定了海藻酸盐的浓度，以保证挤出过程中的层流，并通过离子交联形成稳定的结构。选用水凝胶作为除模涂层材料，因为其粘度随温度升高而增大。

剩下的工作就是研究结构墨水的几何参数。计算流体动力学(CFD)模拟是生物设计和制造的常用方法，它可以用来方便地确定挤出纤维横截面的材料分布。通过计算设计参数，然后根据所提出的制备方法制备后续打印所需的墨水，可以实现基于挤压的3D共打印。

本研究所提出的结构墨水可以定制挤出纤维横截面上的材料分布，制造异质组织结构，并可以在相应的结构墨水中加入细胞或生化因子来控制细胞行为。该结构墨水涉及海藻酸盐和明胶水凝胶，并提出了确定结构墨水设计参数的详细方法。与之前的方法相比，本研究提出的墨水的填充过程也不容易，因为温度控制，脱模，内外墨水分开填充。然而，在该结构墨水中不存在物理障碍。因此，本研究提出的3d打印结构墨水的方法被认为是以前报道的方法的一种成本效益和可达途径的补充。