一種基于凝膠擴散的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制作方法

原創(chuàng)： 顧恒、連芩  3D打印分會中國機械工程學(xué)會

在生物制造領(lǐng)域，直接打印具有復(fù)雜分岔特征的空腔結(jié)構(gòu)目前仍有困難。為此，清華大學(xué)歐陽禮亮等人提出一種借助3D 打印模具快速制造多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，其核心在于借助3D打印技術(shù)制作復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)的凹模，利用澆注翻模，涂覆外殼，溶解內(nèi)芯的方法制作多層空腔結(jié)構(gòu)。
當(dāng)使用離子交聯(lián)的水凝膠時，具體實施步驟如圖1所示，首先制作內(nèi)芯，將含有CaCl2的明膠溶液倒入定制的3D打印的模具中使其成膠；然后將明膠模型浸沒在海藻酸溶液2~3分鐘，在其表面涂覆一層外膜，在此過程中，明膠內(nèi)芯中的Ca2+與海藻酸鈉外膜交聯(lián)。重復(fù)此步驟可形成多層結(jié)構(gòu)；最后溶解內(nèi)芯，將多層水凝膠結(jié)構(gòu)的頂端和底部切除后，置于37℃環(huán)境中，內(nèi)部明膠完全溶解后得到空心結(jié)構(gòu)。

圖1 多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造示意圖

當(dāng)使用光固化交聯(lián)水凝膠時，利用GelMA（含Ca2+）代替明膠（含Ca2+）制作內(nèi)芯，并向上述第二步海藻酸鈉溶液中添加光引發(fā)劑I2959，此時利用紫外光照射其表面可得到不同厚度的固化層。通過浸入時間、光照強度和原溶液的溶度可調(diào)整固化的層厚，如圖2所示。

圖 2多層管狀結(jié)構(gòu)打印實物圖

在隨后的細胞實驗中，通過包埋成纖維細胞、平滑肌細胞、人臍靜脈內(nèi)皮細胞，使細胞分布在不同層間，模擬實際血管的細胞的分布特征，證明多層結(jié)構(gòu)可維持90%以上的細胞活性，具有良好的生物相容性。此外，利用該技術(shù)制造的多層分岔圓管可用于研究大分子運輸和擴散的機理；異質(zhì)結(jié)構(gòu)可用于藥物控釋、細胞共培養(yǎng)研究。

參考文獻
Ouyang L, Burdick J A, Sun W. Facile Biofabrication of Heterogeneous Multilayer Tubular Hydrogels by Fast Diffusion-induced Gelation.[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(15):12424-12430.

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室