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內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校金翼飛教授團(tuán)隊(duì) Adv. Sci.：高速嵌入式墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)以構(gòu)建解剖級(jí)人體器官模型
2025-02-18  來(lái)源：高分子科技

  生物3D打印技術(shù)正逐步用于構(gòu)建功能性人體組織和器官模型。作為一種新興的生物3D打印策略，嵌入式墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)（Embedded Ink Writing，EIW）在器官打印領(lǐng)域展示出巨大的潛力。然而，受限于傳統(tǒng)EIW技術(shù)中支撐浴材料的流變學(xué)特性，最高打印速度始終難以突破10 mm/s的瓶頸，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)全尺寸組織器官模型的快速構(gòu)建。


  近期，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校機(jī)械工程系Yifei Jin教授課題組與大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙丹陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)、內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校機(jī)械工程系Yan Wang教授團(tuán)隊(duì)、愛(ài)荷華州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程系Yiliang Liao教授團(tuán)隊(duì)及德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Akhilesh K. Gaharwar團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)研究納米粒子和不同水凝膠的相互作用，提出了一種納米粒子-水凝膠交互體系以設(shè)計(jì)具有特殊流變特性的支撐浴材料，并在此基礎(chǔ)上建立了高速嵌入式墨水書(shū)寫(xiě)（High-Speed EIW）策略。該策略將最高打印速度由10 mm/s量級(jí)直接提升到100 mm/s量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了4小時(shí)成功構(gòu)建具有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)精度的人體腎臟模型 （圖1）。Yifei Jin教授課題組博士研究生華偉健和趙丹陽(yáng)教授課題組博士研究生張誠(chéng)為該論文共同第一作者。相關(guān)工作以“High-Speed Embedded Ink Writing of Anatomic-Size Organ Constructs” 為題發(fā)表在Willey旗下《Advanced Science》上。


圖1 High-Speed EIW方法原理圖及應(yīng)用前景。


  科研團(tuán)隊(duì)利用小角中子散射(SANS)，掃描電子顯微鏡(SEM)，能量色散X射線光譜(EDS)，和流變學(xué)測(cè)試等多尺度表征手段，研究了納米粒子與海藻酸鈉(NaAlg）、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、嵌段共聚物(Pluronic F127）之間不同的相互作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)低濃度海藻酸鈉對(duì)納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的形成起到促進(jìn)作用（圖2），聚乙二醇二丙烯酸酯與納米粒子間的相互作用幾乎可以忽略，而高濃度Pluronic F127可以與納米顆粒形成雙重微觀結(jié)構(gòu)，極大提升流變學(xué)特性。


圖2 納米粒子與海藻酸鈉相互作用的機(jī)理，微觀結(jié)構(gòu)變化，及流變特性的變化。


  同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同支撐浴材料的流變特性，研究了其所能承受的最高打印速度及打印過(guò)程中所產(chǎn)生的不同細(xì)絲（filament）類型。結(jié)果證明高屈服應(yīng)力對(duì)細(xì)絲在高速打印下的形變和移位有阻礙作用，而較長(zhǎng)的觸變響應(yīng)時(shí)間更利于支撐浴的快速愈合（圖3），以實(shí)現(xiàn)高速打印的目的。


圖3 不同流變特性的支撐浴材料中細(xì)絲成型機(jī)理。


  利用具有較高屈服應(yīng)力及較長(zhǎng)觸變響應(yīng)時(shí)間的支撐浴材料，科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高速打印解剖學(xué)結(jié)構(gòu)精度的人體腎臟模型。該腎臟模型具有血管，尿管，及內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)（圖4），可在藥物篩選，器官重建等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域起到重要的作用。


圖4 高速打印解剖學(xué)結(jié)構(gòu)精度的人體腎臟模型。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202405980

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