高伸展和强硬水凝胶的3D印刷新工艺

照片显示了3-D印刷材料的开放式格子，具有不同颜色的强度和柔韧性特性的材料。

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新的过程，它使用3D打印来生产复杂的水凝胶结构，这些水凝胶结构是“极其艰难和强大”。

研究人员制定了一种新的方式，使柔软，湿润，生物相容性的材料，称为“水凝胶”，进入复杂和错综复杂的图案形状。该过程可能导致可注射材料，用于将药物或细胞输送到身体中;用于再生承载组织的脚手架;研究人员说，用于未来机器人的坚韧但灵活的执行器。

新的过程是在Junich Material的一篇论文中描述的，由MIT Commical Engineering Xuanhe Zhao副教授和MIT，Duke University和Columbia University的同事协作。

赵说，新工艺可以生产复杂的水凝胶结构，这些水凝胶结构是“极其坚韧和稳健”，并与结构中的细胞封装兼容。这可以使得可以实现3D打印络合物结构 - 例如，植入物用细胞和药物注入，然后放入体内。

由包裹在提供形状和结构的橡胶聚合物网络中的水分子定义的水凝胶类似于天然组织如软骨，其被身体用作自然减震器。新的3-D印刷过程最终可以使得可以人工制造坚韧的水凝胶结构，以修复或更换承重组织，例如软骨。

虽然合成水凝胶通常是弱或脆性，但在过去十年中已经开发了许多艰难和可伸展的。然而，先前制造硬凝胶的方法通常涉及“苛刻的化学环境”，这将杀死封装在其中的活细胞，赵说。

新材料是足够的良性，以合成生物细胞 - 如干细胞 - 这可以允许在麻省理工学院的民事和环境工程系中占据细胞的高可力力。

此外，以前的作品无法生产复杂的3-D结构与强硬的水凝胶，赵说。可以将新的生物相容性坚硬的水凝胶印刷为持续的3-D结构，例如中空立方体，半球，金字塔，扭束，多层网或生理相关形状，例如人鼻或耳朵。

Zhao解释说，新方法采用市售的3D打印机制。“创新真的是关于材料 - 一种新的墨水，用于生物相容性强硬水凝胶的3-D印刷，”他说 - 特别是两种不同的生物聚合物的复合材料。“每种[材料]孤单地是非常弱的，脆弱，但一旦你把它们放在一起，它会变得非常强硬和强大。这就像钢筋混凝土。“

两种聚合物中的一种为印刷材料提供弹性，而另一个聚合物可以使其在不破裂的情况下使其在变形下散发能量。第三种成分是一种生物相容性的“纳米粘土”使得可以微调材料的粘度，提高通过3D印刷喷嘴控制其流动的能力。

这些材料可以使印刷形状（例如金字塔）的印刷形状（例如金字塔）进行99％，然后弹回其原始形状，Sungmin Hong，Zhao集团的铅作者和前博士，说;它也可以拉伸到原始尺寸的五倍。这种弹性是需要承受各种力和影响的自然组织的关键特征。

赵说，这些材料最终可能最终用于定制用于更换耳朵，鼻子或承载接头中的软骨组织的形状。实验室测试已经表明，材料甚至比天然软骨更粗。

研究中的下一步是改善打印机的分辨率，目前的尺寸约为500微米的细节，并在动物模型中测试印刷水凝胶结构。“我们正在加强分辨率，”赵说，“能够打印更准确的应用程序。”

除了生物医学应用外，可以应用相同的技术来印刷各种柔软但坚韧的结构材料，如软机械系统的致动器。

“这是真正美丽的工作，表明了强硬水凝胶利用的重大进展，”哈佛大学生物工程教授David Mooney说，他们没有参与这项工作。“这将采用其他聚合物系统建立早期的工作，其中一些早期的工作由赵博士完成，但是一个人可以实现与普通生物医学聚合物相似的机械性能的示范是一个实质的进步。”

默尼补充说：“这些新的强硬凝胶也可以用于3-D打印也很令人兴奋，因为这对我的知识来说是新的。”

该团队包括机械工程研究生在麻省理工学院梳理林;译文道尔顿州达克斯和鸿鸿;和杜克的Gabriel Lopez，Farshid Gullak和Kam Leong教授。该工作得到了国家卫生研究院，海军研究办公室，奥斯滨基金会和国家科学基金会的支持。

出版物：洪，S.等，“3D印染高度可伸缩和坚韧的水凝胶到复杂的，细胞化结构”，2015年先进的材料; DOI：10.1002 / ADMA.201501099.

图像：由研究人员礼貌