斯坦福大學團隊：高延展物理交聯水凝膠！3D生物打印的 “速度密碼”
3D生物打印在組織工程領域意義重大，其中微擠出打印技術應用廣泛，但存在細胞活力低、打印分辨率低和打印速度受限等問題。水凝膠作為常用生物墨水，雖在生物相容性和細胞支持功能方面表現出色，且相關研究在細胞活力和機械性能方面取得進展，但打印速度的限制卻未得到充分關注和有效解決。在高速打印時，生物墨水易受拉伸應變和力的影響，當超過其延伸應變時，會出現打印特征不連續、直徑不規則等問題，而水凝膠基生物墨水普遍因高含水量難以保證高打印性，具備高延展性以實現高速打印的水凝膠材料也較少，且相關研究匱乏。
來自斯坦福大學的Eric A. Appel教授團隊通過將疏水改性的纖維素聚合物與表面活性劑或環糊精等添加劑混合，制備出具有高延展性的物理交聯水凝膠生物墨水。該團隊系統研究了添加劑對水凝膠流變性能的影響，并通過3D打印實驗驗證了高延展性水凝膠在高速打印中的優勢。相關工作以“Highly Extensible Physically Crosslinked Hydrogels for High-Speed 3D Bioprinting”為題發表在《Advanced Healthcare Materials》上，為解決3D生物打印速度受限問題提供了新途徑 。
研究內容
1. HPMC-C18水凝膠配方及添加劑影響研究，通過制備不同HPMC-C18聚合物含量與各類添加劑（吐溫、司盤、α-環糊精等）的水凝膠樣本，運用頻率掃描、穩態剪切應力掃描、振幅掃描等流變測試方法。研究HPMC-C18水凝膠的線性粘彈性、非線性屈服特性以及添加劑對其動態力學性能和流動性能的影響。結果表明，增加聚合物含量可提升水凝膠剛度，但對粘彈性影響較小；吐溫、α-環糊精等添加劑能有效調節水凝膠的粘彈性、應力松弛時間和屈服應力，且可實現對水凝膠剛度和粘彈性的獨立調控 。
2. 水凝膠拉伸斷裂應變性能研究，采用絲狀拉伸拉伸流變儀（FiSER），在0.06s-1、0.1s-1、0.3s-1等不同的Hencky應變率下對水凝膠樣本進行測試，測量水凝膠的拉伸斷裂應變。研究不同Tw80濃度的HPMC-C18水凝膠的延展性。結果顯示，Tw80濃度的增加顯著提升了水凝膠的延展性，最高拉伸斷裂應變可達2000%。同時，水凝膠表現出應變率相關行為，且在拉伸過程中呈現均勻拉伸特性，避免了局部頸縮和變薄現象 。
3. PTw80水凝膠3D打印性能探究，利用自制的基于擠出的3D打印機，設置不同的打印速度和材料擠出速度（通過控制流速實現），定義無量綱值S（S等于打印速度除以材料流速）分析打印性，并進行細胞活力和增殖實驗。研究PTw80水凝膠在3D打印中的適用性。結果表明，高延展性的PTw80水凝膠打印性能更好，能在更高的S值下保持較高的打印成功率，實現更細的打印絲直徑和更精確的打印分辨率。此外，該水凝膠具有良好的細胞相容性，能促進細胞增殖 。
研究結論
本研究通過將疏水改性的纖維素基聚合物與多種生物材料混合，開發出一種可調節的水凝膠平臺。流變學研究表明，添加化學添加劑能夠在不改變水凝膠剛度的情況下，調節其粘彈性和應力松弛行為，實現流變特性的選擇性控制。絲狀拉伸拉伸流變儀測試發現，添加Tw80顯著提高了水凝膠的延展性，在Tw80濃度最高的水凝膠中，拉伸斷裂應變高達2000%。在3D打印實驗中，該水凝膠的高速打印性能顯著提升，速度因子提高了5000多倍，有效解決了打印細絲斷裂和均勻性喪失的問題。研究結果表明，通過調整水凝膠成分優化其延展性，為高速3D打印帶來了新的突破，有助于更高效、精準地制造復雜且功能完備的組織。
文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202404988
(責任編輯：admin)
修飾脂質納米顆粒：實現軟
3D打印膠體氣凝膠—材料世
用于3D打印的阻燃和阻燃塑
彩色3D打印線材介紹
Axtra3D宣布與Additive Pl
nano3Dprint發布
3D Systems推出Ne
3D打印超高強納米
UCLA鄭小雨教授：
意大利研究者研發
Nature發表ZrO2-S
