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          高伸展和強硬水凝膠的3D印刷新工藝

          時間:2021-06-22 13:52:27 來源:

          照片顯示了3-D印刷材料的開放式格子,具有不同顏色的強度和柔韌性特性的材料。

          麻省理工學院的研究人員已經開發出一種新的過程,它使用3D打印來生產復雜的水凝膠結構,這些水凝膠結構是“極其艱難和強大”。

          研究人員制定了一種新的方式,使柔軟,濕潤,生物相容性的材料,稱為“水凝膠”,進入復雜和錯綜復雜的圖案形狀。該過程可能導致可注射材料,用于將藥物或細胞輸送到身體中;用于再生承載組織的腳手架;研究人員說,用于未來機器人的堅韌但靈活的執行器。

          新的過程是在Junich Material的一篇論文中描述的,由MIT Commical Engineering Xuanhe Zhao副教授和MIT,Duke University和Columbia University的同事協作。

          趙說,新工藝可以生產復雜的水凝膠結構,這些水凝膠結構是“極其堅韌和穩健”,并與結構中的細胞封裝兼容。這可以使得可以實現3D打印絡合物結構 - 例如,植入物用細胞和藥物注入,然后放入體內。

          由包裹在提供形狀和結構的橡膠聚合物網絡中的水分子定義的水凝膠類似于天然組織如軟骨,其被身體用作自然減震器。新的3-D印刷過程最終可以使得可以人工制造堅韌的水凝膠結構,以修復或更換承重組織,例如軟骨。

          雖然合成水凝膠通常是弱或脆性,但在過去十年中已經開發了許多艱難和可伸展的。然而,先前制造硬凝膠的方法通常涉及“苛刻的化學環境”,這將殺死封裝在其中的活細胞,趙說。

          新材料是足夠的良性,以合成生物細胞 - 如干細胞 - 這可以允許在麻省理工學院的民事和環境工程系中占據細胞的高可力力。

          此外,以前的作品無法生產復雜的3-D結構與強硬的水凝膠,趙說。可以將新的生物相容性堅硬的水凝膠印刷為持續的3-D結構,例如中空立方體,半球,金字塔,扭束,多層網或生理相關形狀,例如人鼻或耳朵。

          Zhao解釋說,新方法采用市售的3D打印機制。“創新真的是關于材料 - 一種新的墨水,用于生物相容性強硬水凝膠的3-D印刷,”他說 - 特別是兩種不同的生物聚合物的復合材料。“每種[材料]孤單地是非常弱的,脆弱,但一旦你把它們放在一起,它會變得非常強硬和強大。這就像鋼筋混凝土。“

          兩種聚合物中的一種為印刷材料提供彈性,而另一個聚合物可以使其在不破裂的情況下使其在變形下散發能量。第三種成分是一種生物相容性的“納米粘土”使得可以微調材料的粘度,提高通過3D印刷噴嘴控制其流動的能力。

          這些材料可以使印刷形狀(例如金字塔)的印刷形狀(例如金字塔)進行99%,然后彈回其原始形狀,Sungmin Hong,Zhao集團的鉛作者和前博士,說;它也可以拉伸到原始尺寸的五倍。這種彈性是需要承受各種力和影響的自然組織的關鍵特征。

          趙說,這些材料最終可能最終用于定制用于更換耳朵,鼻子或承載接頭中的軟骨組織的形狀。實驗室測試已經表明,材料甚至比天然軟骨更粗。

          研究中的下一步是改善打印機的分辨率,目前的尺寸約為500微米的細節,并在動物模型中測試印刷水凝膠結構。“我們正在加強分辨率,”趙說,“能夠打印更準確的應用程序。”

          除了生物醫學應用外,可以應用相同的技術來印刷各種柔軟但堅韌的結構材料,如軟機械系統的致動器。

          “這是真正美麗的工作,表明了強硬水凝膠利用的重大進展,”哈佛大學生物工程教授David Mooney說,他們沒有參與這項工作。“這將采用其他聚合物系統建立早期的工作,其中一些早期的工作由趙博士完成,但是一個人可以實現與普通生物醫學聚合物相似的機械性能的示范是一個實質的進步。”

          默尼補充說:“這些新的強硬凝膠也可以用于3-D打印也很令人興奮,因為這對我的知識來說是新的。”

          該團隊包括機械工程研究生在麻省理工學院梳理林;譯文道爾頓州達克斯和鴻鴻;和杜克的Gabriel Lopez,Farshid Gullak和Kam Leong教授。該工作得到了國家衛生研究院,海軍研究辦公室,奧斯濱基金會和國家科學基金會的支持。

          出版物:洪,S.等,“3D印染高度可伸縮和堅韌的水凝膠到復雜的,細胞化結構”,2015年先進的材料; DOI:10.1002 / ADMA.201501099.

          圖像:由研究人員禮貌


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