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浙大楊華勇院士團隊:生物軟材料的順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印工藝

3D打印動態(tài)
2025
05/19
14:08
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來源:生物制造工藝與裝備團隊

一種新的基于液滴對撞的生物軟材料噴墨3D打印工藝近期引起關(guān)注,因其在打印結(jié)構(gòu)的組成、拓?fù)浜托再|(zhì)的時空控制方面展現(xiàn)出巨大的體素增材制造前景,在組織工程、藥物控釋、生物電子、軟體機器人和食品科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力。然而,該新型工藝發(fā)展面臨適用生物軟材料有限和工藝機理模糊等問題,限制了其性能提升和廣泛應(yīng)用。



為解決這些痛點,浙大機械學(xué)院楊華勇院士團隊的尹俊教授組和浙大邵逸夫醫(yī)院王一帆教授組合作,提出一種順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法(圖1)并闡明了工藝過程的動力學(xué)(圖2-4),該方法有效拓展了可打印材料范圍并展示出優(yōu)異的成形性能(圖5)和生物相容性(圖6)。相關(guān)成果以“Sequential-crosslinking facilitated droplet-droplet collision inkjet 3D printing of soft biomaterials”為題于2025年5月9日發(fā)表在增材制造旗艦期刊《Additive Manufacturing》上。


圖1. 順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法


圖1分別展示了該方法打印光交聯(lián)(e.g., GelMA)和非光交聯(lián)(e.g., PEDOT:PSS)生物軟材料的原理及過程。該方法同時涉及主墨水和輔墨水兩種墨水,主墨水主要包含目標(biāo)生物材料原液(如GelMA或PEDOT:PSS)和另一種可快速交聯(lián)生物軟材料原液(本研究選擇海藻酸鈉),而輔墨水主要由流變調(diào)節(jié)成分PEG、目標(biāo)生物軟材料交聯(lián)劑和海藻酸鈉交聯(lián)劑Cacl2構(gòu)成。通過兩個傾斜的壓電噴墨噴嘴同時噴射主墨水和輔墨水液滴,并控制兩種液滴在空中發(fā)生碰撞和融合,每個融合液滴內(nèi)部海藻酸鈉的離子交聯(lián)被觸發(fā),部分交聯(lián)的融合液滴被堆積成設(shè)計的3D結(jié)構(gòu),最后再將結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)生物材料進一步固化。該方法中,通過空中液滴對撞觸發(fā)的海藻酸鈉離子交聯(lián)具有維持打印結(jié)構(gòu)和固定每個液滴中目標(biāo)生物軟材料兩個作用。

該方法不僅實現(xiàn)了液滴產(chǎn)生和液滴沉積之間的粘彈性解耦——即液滴產(chǎn)生需要較低的粘彈性,而液滴沉積并組裝為3D結(jié)構(gòu)需要相對較高的粘彈性,同時分離了目標(biāo)生物軟材料的成形和交聯(lián),尤其適合慢交聯(lián)生物軟材料成形(如本研究展示的GelMA)。

為了深入理解液滴對撞噴墨3D打印過程的成形機理以指導(dǎo)打印過程優(yōu)化和精準(zhǔn)調(diào)控,在穩(wěn)定形成液滴的前提下(圖2),對不同材料和工藝條件下的液滴對撞過程動力學(xué)進行了詳細(xì)分析,揭示了聚結(jié)和拉伸分離兩種不同的液滴對撞模式,穩(wěn)定的打印過程需要聚結(jié)模式而避免拉伸分離模式;并建立了碰撞模式的無量綱相圖和模式轉(zhuǎn)變的半經(jīng)驗?zāi)P停▓D3)。進一步對合并后液滴的沉積規(guī)律和2D打印性能進行了探究(圖4),本研究實驗設(shè)置下,可實現(xiàn)最小114 微米點直徑和最小122微米線寬,優(yōu)于已有液滴對撞噴墨3D打印研究。


圖2. 墨水流變曲線及穩(wěn)定的液滴形成過程



圖3. 液滴對撞行為及其無量綱相圖



兩種液滴對撞模式



圖4. 對撞融合后液滴的沉積行為及2D成形


圖5展示了順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法的成形能力,包括含GelMA的金字塔,空心圓管等結(jié)構(gòu),以及含PEDOT:PSS的金字塔和復(fù)雜曲率特征結(jié)構(gòu)等。圖6中打印人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞HUVECs的結(jié)果展示了該方法良好的生物相容性。


圖5. 不同生物軟材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)3D成形



圖6. 載HUVECs活細(xì)胞的生物打印及活性和增值表征


經(jīng)費來源:該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃(2024YFB4607700)的支持。

文章來源:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104809



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