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浙大楊華勇院士團隊生物軟材料的順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印工藝

瀏覽次數(shù):438 發(fā)布日期:2025-6-13  來源:浙大楊華勇院士團隊生物制造工藝與裝備團隊


一種新的基于液滴對撞的生物軟材料噴墨3D打印工藝近期引起關注,因其在打印結構的組成、拓撲和性質(zhì)的時空控制方面展現(xiàn)出巨大的體素增材制造前景,在組織工程、藥物控釋、生物電子、軟體機器人和食品科學等應用領域極具潛力。然而,該新型工藝發(fā)展面臨適用生物軟材料有限和工藝機理模糊等問題,限制了其性能提升和廣泛應用。

為解決這些痛點,浙大機械學院楊華勇院士團隊的尹俊教授組和浙大邵逸夫醫(yī)院王一帆教授組合作,提出一種順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法(圖1)并闡明了工藝過程的動力學(圖2-4),該方法有效拓展了可打印材料范圍并展示出優(yōu)異的成形性能(圖5)和生物相容性(圖6)。相關成果以“Sequential-crosslinking facilitated droplet-droplet collision inkjet 3D printing of soft biomaterials”為題于2025年5月9日發(fā)表在增材制造旗艦期刊《Additive Manufacturing》上。

 

圖1:順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法


圖1分別展示了該方法打印光交聯(lián)(e.g., GelMA)和非光交聯(lián)(e.g., PEDOT:PSS)生物軟材料的原理及過程。該方法同時涉及主墨水和輔墨水兩種墨水,主墨水主要包含目標生物材料原液(如GelMA或PEDOT:PSS)和另一種可快速交聯(lián)生物軟材料原液(本研究選擇海藻酸鈉),而輔墨水主要由流變調(diào)節(jié)成分PEG、目標生物軟材料交聯(lián)劑和海藻酸鈉交聯(lián)劑Cacl2構成。通過兩個傾斜的壓電噴墨噴嘴同時噴射主墨水和輔墨水液滴,并控制兩種液滴在空中發(fā)生碰撞和融合,每個融合液滴內(nèi)部海藻酸鈉的離子交聯(lián)被觸發(fā),部分交聯(lián)的融合液滴被堆積成設計的3D結構,最后再將結構中的目標生物材料進一步固化。該方法中,通過空中液滴對撞觸發(fā)的海藻酸鈉離子交聯(lián)具有維持打印結構和固定每個液滴中目標生物軟材料兩個作用。

該方法不僅實現(xiàn)了液滴產(chǎn)生和液滴沉積之間的粘彈性解耦——即液滴產(chǎn)生需要較低的粘彈性,而液滴沉積并組裝為3D結構需要相對較高的粘彈性,同時分離了目標生物軟材料的成形和交聯(lián),尤其適合慢交聯(lián)生物軟材料成形(如本研究展示的GelMA)。 

為了深入理解液滴對撞噴墨3D打印過程的成形機理以指導打印過程優(yōu)化和精準調(diào)控,在穩(wěn)定形成液滴的前提下(圖2),對不同材料和工藝條件下的液滴對撞過程動力學進行了詳細分析,揭示了聚結和拉伸分離兩種不同的液滴對撞模式,穩(wěn)定的打印過程需要聚結模式而避免拉伸分離模式;并建立了碰撞模式的無量綱相圖和模式轉變的半經(jīng)驗模型(圖3)。進一步對合并后液滴的沉積規(guī)律和2D打印性能進行了探究(圖4),本研究實驗設置下,可實現(xiàn)最小114 微米點直徑和最小122微米線寬,優(yōu)于已有液滴對撞噴墨3D打印研究。
 

圖2:順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法墨水流變曲線及穩(wěn)定的液滴形成過程
 

圖3:液滴對撞行為及其無量綱相圖
 

兩種液滴對撞模式
 

圖4:對撞融合后液滴的沉積行為及2D成形


圖5展示了順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法的成形能力,包括含GelMA的金字塔,空心圓管等結構,以及含PEDOT:PSS的金字塔和復雜曲率特征結構等。圖6中打印人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞HUVECs的結果展示了該方法良好的生物相容性。
 

圖5:不同生物軟材料的復雜結構3D成形
 
▲圖6:載HUVECs活細胞的生物打印及活性和增值表征

經(jīng)費來源:
該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃(2024YFB4607700)的支持。

文章轉載自:生物制造工藝與裝備團隊 浙大楊華勇院士團隊《Additive Manufacturing》生物軟材料的順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印工藝

參考文獻:
[1] Zhao D K, Xu H Q, Ye Z, Yan J, Yang H, Wang Y F, Yin J. Sequential-crosslinking facilitated droplet-droplet collision inkjet 3D printing of soft biomaterials[J]. Additive Manufacturing, 2025, 10(3): 104809. DOI: 10.1016/j.addma.2025.104809.
 

發(fā)布者:上海睿度光電科技有限公司
聯(lián)系電話:021-51816409
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