一種用于增強水凝膠-陶瓷界面強度的多尺度復合3D打印策略

供稿人:邱鎮(zhèn)南、賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

提軟硬材料的結(jié)合界面強度一直是組織工程中一個重要的挑戰(zhàn)。在人體中，肌肉與骨骼、軟骨與骨等界面都是通過過渡軟組織自然結(jié)合在一起的，但現(xiàn)有擠出式打印、化學鍵結(jié)合等方法難以制造符合需求的復合界面。該參考文獻提出了一種將靜電直寫、陶瓷擠出打印和水凝膠灌注結(jié)合的多尺度復合3D打印策略用以提升水凝膠-陶瓷界面的結(jié)合強度。

該策略基本步驟如圖1所示，首先用靜電直寫打印出由微米PCL纖維構(gòu)成的網(wǎng)格支架；然后直接在PCL網(wǎng)格支架的基礎(chǔ)上打印生物陶瓷墨水，使得交界處的陶瓷墨水嵌入PCL網(wǎng)格支架中，之后打印出的多孔陶瓷部分形成硬骨部分；最后將水凝膠灌注到剩余的未被陶瓷包裹的PCL網(wǎng)格支架中形成軟骨部分。

圖1 多尺度復合3D打印策略示意圖

在該復合結(jié)構(gòu)中，生物陶瓷形成的硬骨成為了力學基底，微米PCL纖維支架成為了軟質(zhì)水凝膠與硬質(zhì)陶瓷之間的力學過度層，同時水凝膠與PCL支架復合的結(jié)構(gòu)在保留水凝膠生物學性能的同時提高了其力學強度。經(jīng)過試驗測試，這種策略制造的水凝膠-陶瓷界面與直接將水凝膠灌注在陶瓷表面的界面其切變強度提高了6.5倍。而與單純的水凝膠-PCL支架復合結(jié)構(gòu)相比，其壓縮模量也提高了3倍左右。

圖2 復合結(jié)構(gòu)力學性能測試

總的來說，該研究提出的多尺度復合打印策略提供了一種實用的增強人工軟硬材料結(jié)合界面強度的思路，不僅在水凝膠-陶瓷界面的增強中可以適用，也可用于其他生物材料的復合。

參考文獻：
Paweena Diloksumpan, Mylène de Ruijter,  Combining multi-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces 2020 Biofabrication 12 025014
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab69d9