圖片顯示了3D打印材料的開放晶格模型,材料的不同顏色表明了不同的強度及靈敏度。
研究人員已探究出一種新方式來制造粗糙但柔軟,且濕潤的水凝膠,并將它制成復(fù)雜又精致的圖案形狀。研究人員表示,這一過程有助于生產(chǎn)能夠幫助藥物或細胞進入體內(nèi)的可注射材料、再生承載組織支架以及堅固且靈敏的機器人。
這一研究發(fā)表在Advanced Materials的一篇論文中,作者包括麻省理工學(xué)院機械工程系副教授Xuanhe Zhao及其在麻省理工學(xué)院、杜克大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的同事。
Zhao表示,新工藝可以產(chǎn)生復(fù)雜的水凝膠結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)十分牢固,能與細胞封裝結(jié)構(gòu)相兼容。這將使打印三維復(fù)雜的水凝膠結(jié)構(gòu)成為可能。例如:埋植劑與細胞和藥物融合,然后被植于體內(nèi)。
水凝膠,由水分子構(gòu)成,包裹在橡膠聚合物網(wǎng)絡(luò)中,具有特定的形狀和結(jié)構(gòu),類似于軟骨等自然組織,這些自然組織在身體里被看成一個自然的減震器。新的3D打印過程有利于生產(chǎn)堅固的人工水凝膠結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)可以修理或更換軟骨等承載組織。
Zhao在麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系達成一個聯(lián)合協(xié)議,他說:新材料是良性的,能使類似干細胞等活細胞合成在一起,提高細胞的生存能力。
上圖,是水凝膠材料在不同尺度下的結(jié)構(gòu),一直細化到分子模式。下圖表明,這種方法使材料3 D打印變得非常靈活,它可以在壓縮后恢復(fù)原狀。
此外,Zhao 指出,之前的工作并不能產(chǎn)生具有堅固水凝膠的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。新型生物相容性堅固水凝膠可以被打印成不同的3 D結(jié)構(gòu),如:空心立方體,半球,金字塔,交叉曲線,多層網(wǎng)狀,以及與生理相關(guān)的形狀,如:人類的鼻子或耳朵。
Zhao 表示,新方法采用商用3 D打印機制:這一創(chuàng)新的確與材料有關(guān),這是一種新型三維打印墨水,專為生物相容性堅固水凝膠設(shè)計。具體來說,這是兩種不同生物聚合物的合成,他說:單獨的一種材料容易受損,但是合成在一起,就像鋼筋混凝土一樣堅固。
其中一種聚合物為印刷材料提供彈性,另外一種聚合物能讓材料在變形時消散能量而不至于被破壞。第三種成分,生物相容的納米黏土,用于調(diào)整材料的粘度,提高3 D打印噴嘴對流量的控制力。
該論文的第一作者,Zhao副教授研究小組的博士后Sungmin Hong說:制作材料十分靈活,以至于打印出來的形狀,例如:金字塔,被壓縮至99%后,還能恢復(fù)原來的形狀。還能延伸到其原始大小的5倍。這樣的韌性是自然身體組織的一個關(guān)鍵特性,因為這些組織通常需要承受各種各樣的力量和影響。
Zhao表示,這些材料最終可能會被制成客戶需要的形狀,用來替換耳朵、鼻子或負重關(guān)節(jié)中的軟骨組織。實驗研究表明,這種材料甚至比自然軟骨組織更牢固。
下一步研究將針對提高打印機的分辨率,目前從動物模型測試來看,打印水凝膠結(jié)構(gòu)的分辨率只有500微米。Zhao說:我們正在提高分辨率,爭取打印出更精確的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。
除了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,同樣的技術(shù)可以應(yīng)用于打印各種柔軟但耐用的結(jié)構(gòu)材料,例如:柔軟的機器人制動器。
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