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深圳先進院阮長順、哈工大韓振宇 Nat. Commun.：變纖維直徑3D打印技術為梯度仿生結構構建提供新策略
2024-04-12  來源：高分子科技

  具有高適用性的擠出3D打印技術廣泛應用于類器官生物制造、組織工程等領域。然而，傳統(tǒng)擠出3D打印在墨水沉積軌跡上只可生產固定直徑纖維，限制其難以設計制造復雜梯度多孔結構。



  近日，中國科學院深圳先進技術研究院阮長順研究員團隊聯(lián)合哈爾濱工大學韓振宇教授團隊，醫(yī)工融合，提出了變纖維直徑3D打印技術，為仿生梯度結構構建提供新思路，相關成果發(fā)表在Nature Communications期刊，題為“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”。該研究通過定制3D打印運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)擠出3D打印纖維直徑的精準控制，革新均勻纖維堆積的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)梯度多孔結構的精準制造，為異質器官仿生構建提供新策略。 傳統(tǒng)擠出3D打印采用平行切片方法，其在層內打印時保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉積形成的纖維直徑也保持恒定（如圖1a,b）。盡管傳統(tǒng)3D打印策略被普遍接受并已成為制造均勻多孔結構的黃金標準，但固定的打印參數(shù)和恒定的纖維直徑限制了其設計制造復雜梯度多孔結構。為突破傳統(tǒng)3D打印策略的限制，研究團隊基于體積守恒定律，通過定制運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)各處纖維直徑的精準控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如圖1c,d）。 


圖1. 傳統(tǒng)3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。


  FDA-3DP策略的關鍵參數(shù)為打印速度V和打印高度H。打印速度控制打印軌跡上所沉積纖維的直徑，打印高度控制沉積纖維的質量和線性度（如圖2）。打印速度過慢會造成墨水堆積嚴重，打印高度過高將發(fā)生卷繩效應。 


圖2. FDA-3DP新策略的關鍵參數(shù)。


  為了證明該策略的有效性，研究團隊在10mm尺寸的立方體內設計制造了水平梯度多孔結構（如圖3）。通過將打印軌跡與目標梯度相融合實現(xiàn)可控直徑纖維的單層定制，并為了避免潛在的局部塌陷，提出固定直徑纖維補償機制（如圖3f-i）。進而搭建“設計-制造”工作流程，重寫制造代碼G-codes，實現(xiàn)梯度多孔結構的擠出3D打印制造。Micro-CT重建數(shù)據(jù)證明通過該策略制造的水平梯度多孔結構與設計梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如圖1d-iv）。 


圖3. 通過FDA-3DP新策略設計和制造水平梯度多孔結構。


  進一步，為了展示FDA-3DP策略的普適應，他們設計制造了軸向和包括點、線、面、體的徑向梯度多孔結構，如圖4所示。 


圖4. 設計、制造和評估軸向和徑向梯度多孔結構。


  為了探索展示FDA-3DP新策略的更深應用，他們設計制造了內嵌HIT字母（哈爾濱工業(yè)大學的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度結構。結果顯示HIT字母分別完成了在長方體內部的完全貫穿、居中隱藏和居中隱藏并逆時針旋轉45°分布（如圖5a）。此外，還在立方體內鑲嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超結構領域定制局部力學性能的潛在應用（如圖5b-d）。 


圖5. 高度可調孔尺寸的梯度結構（內嵌HIT字母和V字母）。


  他們提出的FDA-3DP新策略突破了傳統(tǒng)擠出3D打印技術難以加工復雜梯度多孔結構的難題，探索了其在組織工程與仿生器官制造（如骨、軟骨、血管）、4D打印等領域的應用可行性（如圖6）。 


圖6. FDA-3DP新策略應用探索。


  中國科學院深圳先進技術研究院阮長順研究員和哈爾濱工業(yè)大學韓振宇教授為論文通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院屈華偉博士后/助理研究員為論文第一作者。該研究獲得國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目及面上項目、中國科學院青年創(chuàng)新委員會優(yōu)秀會員、中國博士后第73批面上項目等多個基金資助。


  課題組長期招聘博士后、研究助理等崗位，高分子材料、生物醫(yī)學工程等背景優(yōu)先。有意者請將個人簡歷（pdf）發(fā)送至阮長順研究員郵箱cs.ruan@siat.ac.cn，郵件標題請注明“意向崗位+姓名+畢業(yè)學校”。歡迎有志之士加入。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y

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（責任編輯：xu）
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