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

來(lái)源：生物制造工藝與裝備團(tuán)隊(duì)

一種新的基于液滴對(duì)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(shí)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(jī)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(jī)理模糊等問(wèn)題，限制了其性能提升和廣泛應(yīng)用。

為解決這些痛點(diǎn)，浙大機(jī)械學(xué)院楊華勇院士團(tuán)隊(duì)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(duì)撞噴墨3D打印方法（圖1）并闡明了工藝過(guò)程的動(dòng)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(duì)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(guò)程。該方法同時(shí)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(guò)兩個(gè)傾斜的壓電噴墨噴嘴同時(shí)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(gè)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(jì)的3D結(jié)構(gòu)，最后再將結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)生物材料進(jìn)一步固化。該方法中，通過(guò)空中液滴對(duì)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(gè)液滴中目標(biāo)生物軟材料兩個(gè)作用。

該方法不僅實(shí)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(duì)較高的粘彈性，同時(shí)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(duì)撞噴墨3D打印過(guò)程的成形機(jī)理以指導(dǎo)打印過(guò)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(duì)不同材料和工藝條件下的液滴對(duì)撞過(guò)程動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(duì)撞模式，穩(wěn)定的打印過(guò)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(wú)量綱相圖和模式轉(zhuǎn)變的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D3）。進(jìn)一步對(duì)合并后液滴的沉積規(guī)律和2D打印性能進(jìn)行了探究（圖4），本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)置下，可實(shí)現(xiàn)最小114 微米點(diǎn)直徑和最小122微米線寬，優(yōu)于已有液滴對(duì)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(guò)程

圖3. 液滴對(duì)撞行為及其無(wú)量綱相圖

兩種液滴對(duì)撞模式

圖4. 對(duì)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(duì)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(fèi)來(lái)源：該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFB4607700）的支持。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104809