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行业新知 | 采用直接墨水书写和近红外诱导光聚合的组合方式3D打印无支撑多尺度陶瓷:骨组织工程

行业新知 | 采用直接墨水书写和近红外诱导光聚合的组合方式3D打印无支撑多尺度陶瓷:骨组织工程

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-06-20 10:28
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【概要描述】

行业新知 | 采用直接墨水书写和近红外诱导光聚合的组合方式3D打印无支撑多尺度陶瓷:骨组织工程

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近日,Guangyong Pan带领的团队在《European Polymer Journal》发表了题为Employing a combination of direct ink writing and near-infrared-induced photopolymerization facilitates 3D printing of unsupported multi-scale ceramics: The bone tissue engineering approach的研究,利用直接墨水书写(DIW)和近红外诱导上转换粒子辅助光聚合,能高效无支撑打印复杂3D结构,如人体骨骼、扭转弹簧、3D弯曲结构和悬臂梁等陶瓷结构。

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860424002045
奇遇科技官网:http://www.adventuretech.cn/
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研究内容

瓷3D打印技术具有卓越的机械性能,可加速骨支架在牙科、骨科和骨组织工程等各种应用中的发展,是生物医学应用的理想选择,尤其是硬组织再生和骨组织工程 (BTE)。由于陶瓷材料固有的脆性和硬度特性,传统成型工艺难以制造形状复杂的陶瓷支架,限制了制造精度和速度。
本研究采用DIW和近红外诱导光聚合(NIRIP)相结合,有助于实现无支撑多尺度陶瓷的3D打印。

△图1,直接墨水书写程序和可用于DIW程序的各种生物墨水的交联方法:(A)DIW过程的示意图;(B)离子交联:离子(绿色)和带相反电荷的聚合物链之间的静电连接,从而形成支化网络;(C)酶交联:酶催化在聚合物生物分子之间产生强烈的化学键的过程;(D)光诱导交联:在光引发剂(黄色)存在下的交联。在紫外光或近红外光照射下,光引发剂产生自由基,引发官能化链之间的聚合反应;以及(E)热能诱导的交联:温度波动引起的结构变化,导致聚合物链的生成。

△图2,利用近红外-光热双重交联剂为高固体分陶瓷浆料提供准确、高效的DIW:(A)近红外光热协同辅助DIW印刷示意图。(b-e)绿色主体在左侧,每幅图像的右侧均为烧结陶瓷。

△图3,NIR-DIW分析了印刷部件的结构完整性和准确性。(A)用近红外光谱局部固化的不同直径(0.41毫米、0.60毫米、0.84毫米、1.25毫米、2.45毫米和3.50毫米)的喷嘴长丝。(B)使用NIR-DIW生产的悬臂丝(0.60、0.84、1.25和2.45毫米)显示在光学图像中。(C)由NIR-DIW打印的扭转弹簧结构为绿色主体(0.41 mm)、烧结体(0.60 mm)、0.84 mm和1.25 mm。(D)平桥结构,包括坯体和烧结体,使用1.25毫米喷嘴的近红外DIW生产。(刻度盘上的条表示5毫米)。(E)使用0.41 mm喷嘴打印的网格坯体和烧结体的光学图像;(F)网格烧结体的仰角;(G)网格坯体的扫描电子显微镜图像;(H)网格烧结体的扫描电子显微镜图像。

△图4,3D压电陶瓷结构的直接墨水书写(A)说明3D压电陶瓷结构的直接墨水书写以及柔性坯体的二次成型的工艺图。使用光学技术拍摄的陶瓷绿色物体的照片:(B)俯视图,(C)3D木桩结构的侧视图。所述坯体弯曲成(D)环状;然后(E)扭曲成带状螺旋。烧结的三维PZT组件的光学图像:(F)由3D木桩结构制成的脚手架;(G)弯曲成环状或(H)扭曲成螺旋的形状,以及(I)具有不同跨度的无支撑结构。

△图5,示意图说明了NIR-DIW和实时FTIR光流变学分析的使用。(A)说明近红外诱导DIW的设置的示意图;(B)用于NIR-DIW打印的各种构型和化学过程;(C)用于监测近红外诱导光聚合的实时傅里叶变换红外(FTIR)流变学分析。

△图6,近红外线辅助直接墨水书写,利用彩色墨水和各种条件;(A)利用不同喷嘴的花纹细丝。将乙烯基团转换为喷嘴直径;(B)俯视;和(C)核壳多色长丝的侧视图;(比例尺=2毫米);(D)独立的螺旋结构,带有红色颜料;(E)独立的M−形状的悬臂结构,带有蓝色颜料;(比例尺=1厘米)。引发体系的匹配以及不同光聚合条件之间的差异:(F)近红外照射后;(G)原位近红外固化;(标尺=1 mm)。

 

研究结论

该研究综述了利用光辅助直接墨水书写技术打印出无需支撑的多尺度陶瓷结构在骨组织工程中的应用。尽管紫外辅助光聚合能够固化3D打印产品,但在固化强度和平衡效果范围方面存在挑战,难以实现多尺度并行化。为解决这些问题,采用了近红外诱导的直接墨水书写方法,可以使用直径达4 mm的喷嘴进行打印和即时固化。此方法可用于骨组织工程,制作基于患者需求的复杂骨骼结构。

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