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3D打印高伸展和强韧水凝胶的新工艺

em麻省理工学院的研究人员开发出了一种新的工艺,该工艺使用3D打印技术生产出复杂的水凝胶结构,“结构非常坚固耐用”。 / em

研究人员已经开发出一种新的方式,将复杂而复杂的图案化形成强韧 - 但柔软和湿润的生物相容材料,称为“水凝胶”。这个过程可能会导致将药物或细胞输送到体内的可注射材料;用于再生承重组织的支架;或者为未来的机器人提供坚韧而灵活的执行器,研究人员说。

新工艺在高级材料杂志上发表,由麻省理工学院,杜克大学和哥伦比亚大学机械工程系副教授赵轩and和同事共同撰写。

赵先生说,新工艺可以生产复杂的水凝胶结构,它们“非常坚韧和坚固”,并且与结构中细胞的封装相容。这可以使三维打印复杂的水凝胶结构成为可能 - 例如,将植入物注入细胞和药物,然后放入体内。

由包裹在提供形状和结构的橡胶状聚合物网络中的水分子定义的水凝胶与天然组织例如软骨类似,其被人体用作天然减震剂。新的3-D印刷工艺最终可能会人为地修复或更换诸如软骨等承重组织,从而生产出坚韧的水凝胶结构。

尽管合成水凝胶通常很脆或脆,但是在过去的十年中,一些坚韧和可拉伸的水凝胶已经被开发出来。然而,之前制造强韧水凝胶的方法通常涉及“苛刻的化学环境”,会杀死封装在其中的活细胞,Zhao说。

Zhao说,这些新材料足以与活细胞(如干细胞)一起合成,从而使细胞具有很高的生存能力,他在麻省理工学院土木与环境工程系共同任命。

此外,之前的工作无法生成具有强韧水凝胶的复杂三维结构,Zhao说。这种新型生物相容性坚韧水凝胶可印制成各种三维结构,如空心立方体,半球体,金字塔,扭曲束,多层网状物或生理相关形状,如人的鼻子或耳朵。

Zhao解释说,这种新方法使用了商业上可用的3D打印机制。 “这项创新真的是关于这种材料 - 一种用于生物相容性坚韧水凝胶的3D打印的新墨水,”他说 - 特别是两种不同生物聚合物的复合材料。 “每个[材料]单独都很脆弱,但是一旦你把它们放在一起,就会变得非常强硬。这就像钢筋混凝土。“

两种聚合物中的一种为印刷材料提供弹性,而另一种允许其在变形下耗散能量而不会断裂。第三种成分,即生物相容的“纳米粘土”,可以微调材料的粘度,提高控制其流过3D打印喷嘴的能力。

这种材料可以制作得如此灵活,以至于金字塔等印刷形状可以被压缩99%,然后弹回原来的形状,论文的第一作者Sungmin Hong和Zhao集团的前博士后,说;它也可以被拉伸到其原始尺寸的五倍。这种韧性是自然身体组织的关键特征,需要承受各种力量和影响。

Zhao说,这种材料最终可能用于定制耳廓,鼻子或承重关节的软骨组织替代形状。实验室测试已经表明,这种材料甚至比天然软骨更坚硬。

研究的下一步将是提高打印机的分辨率,目前该打印机限于500微米大小的细节,并测试动物模型中的印刷水凝胶结构。 “我们正在提高分辨率,”赵说,“能够为应用打印更精确的结构。”

他说,除了生物医学应用之外,同样的技术还可以应用于印刷各种柔软而坚韧的结构材料,例如柔性机器人系统的执行器。

哈佛大学生物工程教授大卫穆尼说:“这真是一件非常漂亮的工作,表明了强韧水凝胶的利用方面取得了重大进展。”哈佛大学生物工程教授大卫穆尼并未参与这项工作。 “这使得其他聚合物系统的早期工作得到了进一步发展,赵博士完成了此前的一些工作,但证明人们可以通过普通的生物医学聚合物获得类似的机械性能是一项重大进步。”

Mooney补充道:同样令人兴奋的是,这些新的强韧凝胶可用于3D打印,据我所知,这对于这些凝胶是新的。“

该团队包括麻省理工学院机械工程研究生Shaoting Lin;研究生Dalton Sycks和Hon Fai Chan;杜克大学的Gabriel Lopez,Farshid Gullak和Kam Leong教授。这项工作得到了国家卫生研究院,海军研究办公室,AOSpine基金会和国家科学基金会的支持。

出版物:Hong,S.等人,“将高伸缩性和强韧水凝胶3D打印成复杂的,Cellularized结构”,Advanced Materials,2015; DOI:10.1002 / adma.201501099

来源:麻省理工学院新闻David L. Chandler

图片:由研究人员提供