基于水凝膠微粒生物墨水的擠出生物3D打印

來源： EngineeringForLife

水凝膠微粒是一種新興的生物墨水，可以實現(xiàn)大多數(shù)軟生物材料的三維打印。然而，水凝膠微粒在打印噴嘴內(nèi)堵塞和流動的機制沒有充分的研究。來自Texas A&M University的Daniel L. Alge和Akhilesh K. Gaharwar團(tuán)隊闡明了水凝膠微粒的特性，展示了打印裝置對水凝膠微粒墨水流動的影響。相關(guān)論文“Generalizing hydrogel microparticles into a new class of bioinks for extrusion bioprinting”近期發(fā)表在“Science Advances”期刊上。

研究團(tuán)隊使用聚乙二醇（PEG）水凝膠微粒作為生物墨水，研究水凝膠微粒在噴嘴中流動的機制，研究團(tuán)隊使用3種不同大小的水凝膠微粒和2種噴嘴形狀進(jìn)行長絲擠出測試。結(jié)果表明精密尖狀噴嘴由于頭部直徑變化太大，不適合水凝膠微粒生物墨水的打印。通過改變噴嘴與水凝膠微粒的直徑比，可以實現(xiàn)連續(xù)打印。

圖1 水凝膠微粒流動打印過程

圖2 水凝膠微粒生物墨水打印需要低阻力和大口徑噴嘴

接著，研究團(tuán)隊探究了打印保真度，結(jié)果表明較小直徑的水凝膠微粒和較小直徑的噴嘴有利于提高打印保真度。

圖3 水凝膠微粒打印保真度

隨后，研究團(tuán)隊探討了水凝膠微粒機械性能對打印穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明經(jīng)歷更高的應(yīng)力和阻力，會使得水凝膠微粒更緊密的堆積，從而提高打印的質(zhì)量。

圖4 水凝膠微粒的機械性能對其變形和打印穩(wěn)定性的影響

最后，研究團(tuán)隊探究了打印過程對封裝在水凝膠微粒內(nèi)的細(xì)胞的影響，結(jié)果表明更高的剪切應(yīng)力會影響細(xì)胞活性，所以需要在可打印性和細(xì)胞活力之間做出平衡。

圖5 水凝膠微粒的機械特性影響封裝細(xì)胞的活力

總而言之，研究團(tuán)隊細(xì)致的研究了水凝膠微粒內(nèi)部機械性能和流動阻力，高的可打印性需要小直徑的噴嘴和小直徑的水凝膠微粒，而高的細(xì)胞活力需要大直徑的噴嘴和大直徑的水凝膠微粒。該結(jié)論可以推廣到不同材料配置的水凝膠微粒的生物墨水體系中，提高水凝膠微粒的可打印性并促進(jìn)其在3D生物打印中的應(yīng)用。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3087