澳門大學/劍橋大學: 通過懸浮 3D 打印中的墨水-懸浮支撐浴匹配實現(xiàn)水凝膠的成型

來源： 高分子科學前沿

當前，在生物制造領域，懸浮3D打印技術可將柔軟和非自支撐類型的水凝膠材料作為墨水實現(xiàn)3D打印并構建成型，被廣泛應用于在組織工程和柔性器件制備等方向。在懸浮3D打印的場景中，水凝膠墨水和懸浮支撐浴之間的相互匹配是基礎。然而，當前尚未有針對不同類型墨水匹配支撐浴的通用法則；有限的墨水支撐浴材料搭配，為懸浮3D打印技術的推廣和應用帶來了挑戰(zhàn)。近日，來自澳門大學李奕雯教授和劍橋大學Yan Yan Shery Huang教授的科研團隊評估了不同類別的水凝膠墨水（包含pH響應墨水，光交聯(lián)墨水，熱敏交聯(lián)墨水，化學交聯(lián)墨水，陽離子和陰離子墨水）在各種代表性懸浮支撐浴（即明膠漿液，瓊脂糖流體凝膠，卡波普凝膠和其他油相混合物等）中的成型性。該研究評估了不同水凝膠墨水和支撐浴之間的界面穩(wěn)定性，并通過分析造成界面不穩(wěn)定的影響因素（包括擴散驅動效應或電荷驅動效應），提出了一個簡潔通用的凝膠墨水-支撐浴匹配法則，用于減少試錯成本，并提高懸浮3D打印中水凝膠墨水的成型性。這項研究成果有助于擴展可用水凝膠材料的范圍，輔助構建更多樣的水凝膠結構和更復雜的功能。相關工作以“Soft hydrogel shapeability via supportive bath matching in embedded 3D printing”為題，發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊上。該論文第一作者是澳門大學的李奕雯助理教授和劍橋大學的張舵博士，澳門大學李奕雯助理教授和劍橋大學Yan Yan Shery Huang教授為該論文共同通訊作者。澳門大學李奕雯助理教授課題組誠招水凝膠及增材制造等領域的博士后及博士研究生 (2024年1月入學) - 詳情請看最后內容。

在水凝膠懸浮3D打印中，雖然支撐浴的流變特性至關重要，但打印結構的最終形狀取決于水凝膠墨水的交聯(lián)動力學，以及水凝膠墨水與支撐浴界面的物理和化學相互作用。各種力（例如重力、濃度梯度、離子相互作用和界面張力）將會隨著時間的推移使打印結構的形狀產(chǎn)生漸變，直到物體完全交聯(lián)。水凝膠墨水和支撐浴各自的理化特征極大地增加了懸浮打印的難度和復雜性。事實上，當前對懸浮打印的研究，仍主要局限于幾種支撐浴系統(tǒng)（明膠漿液，卡波普微凝膠和瓊脂糖流體）和超分子水凝膠墨水（如蛋白質和多糖等）。然而，水凝膠材料的種類廣泛，從具有不同離子電荷和響應行為的小分子單體（幾十道爾頓）到超分子聚合物（幾百萬道爾頓），在支撐浴中具有不同的運動和擴散特性。此外，懸浮支撐浴自身的局限性（例如在凝膠墨水交聯(lián)期間的不穩(wěn)定，對凝膠墨水交聯(lián)速率的改變，以及未交聯(lián)的水凝膠墨水的擴散），進一步限制了該方法的通用性。因此，研究團隊從懸浮打印界面中的擴散驅動效應和電荷驅動效應兩方面出發(fā)，探索懸浮支撐浴中不同類型凝膠墨水的“可成型性”，對現(xiàn)有懸浮3D打印技術提出相應的改進策略。

圖一: 懸浮3D打印水凝膠墨水的可打印性及成型性的影響因素

圖二: 本文提出的凝膠墨水-支撐浴匹配法則

化學交聯(lián)凝膠墨水

通過濕化學交聯(lián)（例如自由基聚合）從單體合成的水凝膠可以通過交聯(lián)組分的調整來改進凝膠自身特性（如機械強度），例如: 聚丙烯酰胺（PAAm），它被廣泛應用于生物醫(yī)學領域。PAAm通常由丙烯酰胺單體通過自由基乙烯基聚合，借助N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（bis-AAm）作為交聯(lián)劑，過硫酸銨（APS）作為氧化劑和四亞甲基二胺（TEMED）作為催化劑。使用上述配方作為墨水，其中最小分子量成分為~70 Da，該研究發(fā)現(xiàn)沒有一種主流的水性載體�。�明膠，卡波普和瓊脂糖流體凝膠）能夠將丙烯酰胺墨水交聯(lián)成型。較差的交聯(lián)性與低分子墨水在水性介質中的快速擴散有關，研究建議使用油相混合物支撐浴進行懸浮打印，以克服小分子墨水的擴散問題。

光交聯(lián)凝膠墨水

通過光交聯(lián)固化水凝膠是當前熱門的3D打印方法。由于光引發(fā)劑的分子尺寸小，通常具有較快的擴散速率。目前，在懸浮打印中，對于光引發(fā)劑的不同存在方式如何影響交聯(lián)效率，目前還沒有明確的共識。該研究結果表明，為實現(xiàn)光照交聯(lián)時間的最小化，凝膠墨水和支撐浴中需要同時具備達平衡量的光引發(fā)劑；若需減少光引發(fā)劑的含量，在支撐浴中添加引發(fā)劑的系統(tǒng)比在凝膠墨水中添加引發(fā)劑的系統(tǒng)具備更好的交聯(lián)效率。

蛋白質凝膠墨水

基于蛋白質的生物墨水，如膠原蛋白，通常在生理溫度下通過熱交聯(lián)方法進行交聯(lián)。雖然蛋白質是大尺寸分子，平均分子量超過50 kDa，但由于其交聯(lián)時間較長，會導致較差的成型性。因此，選擇具有熱穩(wěn)定性的懸浮支撐浴是在長交聯(lián)時間內保持蛋白質基墨水成型的關鍵�？úㄆ蘸铜傊�糖流體支撐浴都可以實現(xiàn)膠原蛋白墨水的成功交聯(lián)�？úㄆ罩�撐浴具備熱穩(wěn)定性且酸堿度呈中性，可實現(xiàn)更佳的成型性。

pH響應凝膠墨水

pH響應性水凝膠，如聚丙烯酸（PAA），在pH變化下會不可避免地發(fā)生溶脹行為，極大地損害其成型性。傳統(tǒng)的支撐浴，如卡波普和明膠漿，由于pH條件不相容，不能在打印過程中抑制溶脹問題。研究建議使用油相支撐浴，例如具有剪切稀化行為和適當流變性的二氧化硅礦物油支撐浴，用于構建pH響應水凝膠。油相介質可抑制水分子的遷移運動，因此水凝膠在其中不會產(chǎn)生溶脹效應。此外，為了降低親水性油墨和疏水性支撐浴之間的界面張力并減少打印結構的形狀改變，可以在支撐浴中補充表面活性劑。

陰離子凝膠墨水

使用對離子濃度敏感的支撐浴打印陰離子水凝膠可損害其成型性。以卡波普支撐浴為例，離子交聯(lián)劑的加入不但會影響支撐浴的流變特性，而且會促使卡波普由于鹽析效應產(chǎn)生沉淀，導致打印失敗。與此相對的，瓊脂糖流體凝膠和明膠漿液的流變特質對離子強度不敏感，在這兩種支撐浴中打印出的結構可以成功地交聯(lián)固化。

陽離子凝膠墨水

陽離子水凝膠在生物醫(yī)學中作為一種流行的材料被廣泛應用，然而懸浮打印陽離子水凝膠的可行性很少在文獻中得到證明。有鑒于此，研究團隊使用帶陽離子的殼聚糖凝膠作為墨水，并使用不同的主流支撐浴打印，研究支撐浴的適配能力。實驗結果表明，帶陰離子的卡波普支撐浴和殼聚糖墨水會因為相反電荷的靜電吸引而產(chǎn)生打印拖拽現(xiàn)象；相比之下明膠漿液與殼聚糖墨水的相容性較好，適合打印陽離子凝膠墨水。

李奕雯研究團隊簡介
澳門大學機電工程系李奕雯博士（助理教授）具有增材制造技術、高分子材料、水凝膠材料、生物醫(yī)用工程等跨學科研究背景。2016年在英國倫敦帝國學院 (Imperial College London) 取得本碩連讀學位（一等榮譽畢業(yè)）。2022年博士畢業(yè)于英國劍橋大學，主要從事軟材料增材制造、水凝膠材料和柔性仿生模型等研究，期間獲得劍橋大學應用研究學會 (Cambridge Society for the Application of Research) 的優(yōu)秀博士生獎、國際生物制造學會 (International Society for Biofabrication) 的優(yōu)秀博士生獎、劍橋大學W D Armstrong獎學金等，并入選為2022年全球青年科學家峰會 (Global Young Scientists Summit) 參加者之一。近年主要從事仿生物結構、軟物質材料與結構力學設計等研究，在國際知名雜志發(fā)表學術論文，包括Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Biofabrication, Acta Biomater. 等國際期刊。本課題組學術氛圍濃厚，鼓勵不同學術觀點的討論和學術創(chuàng)新，以培養(yǎng)獨立科研能力的研究人員及營造高水平的健康學術氛圍為目標。課題組的PI具有多年海外經(jīng)歷，與劍橋大學、南方科技大學課題組保持緊密合作關系。