異質組織結構打印的新探索！基于擠出式同軸3D打印材料及流程的設計

來源： EFL生物3D打印與生物制造

基于擠出式的3D打印(E3DP)由于可獲得的生物材料和細胞范圍廣泛且成本低，通常用于體外和原位生物制造。然而，由于油墨性能的限制，這種功能性支架的制造具有挑戰(zhàn)性，必須與組織的物理化學和生物學特性相匹配。鑒于此，來自哈爾濱工業(yè)大學的劉海濤提出了一種制備E3DP結構油墨的新方法。通過油墨制備和工藝參數(shù)優(yōu)化驗證了該工藝的可行性，這些墨水是由鑄造和3D打印集成技術制造的。采用計算流體動力學(CFD)模擬方法，對油墨在噴口通道中的流動進行了模擬。通過對擠出纖維截面的分析，確定了這些油墨的幾何參數(shù)。研究了具有核殼截面的結構油墨對打印纖維的影響機理。以具有對稱截面的油墨為例，說明其不同的可打印結構。最后，提出了一種用于E3DP的結構化打印材料設計和制造的新工作流程，這種方法可以豐富E3DP，同時促進異質組織結構的制造。相關論文“Extrusion-based 3D co-printing: Printing material design and novel workflow for fabricating patterned heterogeneous tissue structures”于2023年2月13日發(fā)表于雜志《Materials & Design》上。

為了制造異質組織結構，之前的研究最終目標是控制材料組分的分布，可以設想利用單個泵控制打印頭將結構化墨水引入E3DP中。在保證擠出纖維的橫截面圖案與結構油墨的橫截面圖案的材料分布接近的前提下，拓展了制造異質結構的途徑(圖1A)。如圖1B所示，展示了3D打印結構油墨的制備工藝流程。

圖1 基于擠出式的3D共打印系統(tǒng)和油墨制備

使用NX 10.0設計并建模了具有圖案的模具，以制造具有核殼和對稱截面的材料分布的油墨。所有模具的最大直徑為9.50 mm，以適合3 mL的空墨盒，整個高度設置為65 mm，以便在墨水制備過程中操作方便(圖2)。

圖2 模具裝配部分和裝有噴嘴的空筒的技術圖紙

為確保打印墨水性能與低雷諾數(shù)和可成形性相匹配，可用于同軸打印，對結構油墨的兩種組分進行了測定。通過從37℃到4℃的溫度掃描測試，存在損耗模量與存儲模量相等的數(shù)據(jù)(圖3A)。從剪切速率掃描來看，兩種復合水凝膠的粘度隨剪切速率的增加而降低，表現(xiàn)出剪切稀化特性(圖3B)。此外，還進行了振蕩頻率掃描，以確定油墨的機械光譜，并選擇1Hz進行振蕩應變掃描(圖3C)。在振蕩應變掃描測試中，兩種復合水凝膠的G’’和G’在高應變下都急劇下降，表明存在剪切屈服現(xiàn)象(圖3D)。

圖3 根據(jù)明膠濃度變化對水凝膠流變學的表征

分別研究了油墨1和油墨2(圖1B)，以確定它們相同的工藝參數(shù)。對油墨1的工藝參數(shù)進行評估，如圖4A所示。最終確定擠壓壓力和打印速度的工藝參數(shù)分別為180 kPa、10 mm/s和200 kPa、12 mm/s。圖4B為油墨2的工藝參數(shù)。作為結構油墨的兩種組分，油墨1和2在噴嘴中同時被擠出。因此，兩種油墨具有相同的噴嘴規(guī)格和溫度。最終確定擠壓壓力和印刷速度的工藝參數(shù)分別為160 kPa、8 mm/s和180 kPa、10 mm/s。

圖4 工藝參數(shù)評價

圖5A展示了r0對擠壓纖維r1/r2的影響。對于某一噴嘴，r1/r2值隨著r0的增大而增大，這是因為當進口1和進口2流量固定時，材料擠壓體積與截面面積成正比。研究了2號入口不同組分的結構油墨對r1/r2的影響。因此，通過在入口1和2處使用不同的油墨組分，可以間接地控制擠壓纖維的材料分布。圖5B顯示了2號進口不同組分對r1/r2的影響及差值。

圖5 擠出纖維r1/r2上結構油墨r0的分析

圖6A展示了共打印過程中r1/r2的變化。兩相墨水分別受到滑動產生的摩擦力、材料相界面處的支撐力、擠壓壓力和重力的作用。此外，還研究了兩種物質相之間強烈相互作用力的模擬條件，以確定預置結構油墨的高度，圖6B給出了仿真結果。

圖6 結構油墨對擠出纖維的影響機理及確定的預設油墨高度

進一步研究了具有對稱截面組件的結構油墨作為案例，以顯示基于擠壓的3D共打印的多樣性。詳細模擬了預先設定的材料組分和噴嘴規(guī)格對擠出纖維的影響(圖7A)。對于具有核殼截面的油墨，高度對擠壓纖維的物質分布有顯著影響。因此，作者也模擬了不同高度的對稱截面油墨對纖維的影響(圖7B)。

圖7 擠壓纖維S1/S2上的結構油墨分析

如圖8所示，以具有截面圖案分布的材料組分結構油墨為基礎概念，提出了一種新的、有前景的工作流程(包括幾何設計、制備和打印工藝參數(shù)的確定)。

圖8 基于擠壓的3D共打印的建議工作流程(設計、制備和打印結構油墨)

如圖9所示，共印模型具有精細的結構和線寬。帶有微流體通道的打印結構可以通過溶解明膠(例如，置于37℃水浴中)形成。這種多孔結構有利于營養(yǎng)物質向細胞的運輸，也可用于工程毛細血管。

圖9 以明膠為第二墨水，以擠出式為基礎的3D共打印制備的代表性晶格結構

本文通過介紹獨特的結構油墨的設計和制備方法，并通過演示E3DP工藝的可行性，報道了基于擠出式的3D打印結構油墨。具有可控截面材料分布和高度的結構油墨是關鍵。然后給出了該方法的一般工作流程。該工作流程可以在體外直接構建多種異質結構，從而再現(xiàn)體內的細胞生態(tài)位。在此基礎上，給出了該方法在工程再生中的應用前景。這些結構油墨由于其易于制備，對非工程師友好，成本低而被應用。需要指出的是，由于該方法具有多種可打印的異構結構，因此也可以應用于其他研究，如軟體機器人和柔性可穿戴設備。

綜上所述，作者提出了通過基于擠出式的3D打印制造可調諧異質結構的第一步，這種方法也可以啟發(fā)光固化3D打印的研究，作者預計這種方法將為深入的支架制造帶來新的途徑，并預測這些嘗試將導致在疾病建模、組織再生和藥物開發(fā)方面的功能化組織的體外構建的進展。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111737