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光刻法生物印刷术新武器 胶原生物墨水_印刷资讯

发布时间:2019-12-13 15:34编辑:技术文章浏览(167)

    澳门威斯尼人app 1干燥(左)及凝胶状态(右)的卡波姆,在日化产品中也经常能见到它。

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    “我很乐意解释为,使CMA具备热可逆性是我们的研究目标,”Shreiber总结说,“但这确实是一个意外的发现。”

    这种技术的关键在于一种名叫“卡波姆”的凝胶基质。卡波姆是由丙烯酸酯和多元醇聚合形成的一种交联高分子材料,由于其分子链结构中有很多亲水性的羧基(—COOH),因此它可以“锁住”大量水分子,在分子链中间形成水凝胶。如果研究过化妆品的成分表,你可能对卡波姆并不陌生。仅需很低浓度的卡波姆即可起到高效的增稠作用,因此卡波姆凝胶从20世纪90年代起就已经作为日化用品的流变调节剂而被广泛使用了。用卡波姆增稠后的日化用品一方面可以长时间稳定存放,另一方面使用时的触感也更加柔滑。

    如下图所示,采用的纳米粘土具有独特的凝胶-溶胶转变特点:当所受应力高于其屈服应力时,纳米粘土表现出剪切变稀的溶胶特性,反之,则表现出凝胶的特征。同时,该材料的凝胶-溶胶转变时间极短,可以有效保证打印后的液体结构迅速具备足够的机械强度以支撑后续打印的结构。

    Shreiber和他的团队展示了分辨率为350μm的平板印刷支架。可能令人印象更深刻的是,利用普通办公室用激光打印机打印出来的光掩膜,他们可以打印出与面罩宏观特点几乎相同的支架。这种支架经过冷冻干燥可以形成胶原蛋白为基础的海绵,再次水化后仍能保持原有形状;特定形状的细胞支架在CMA中包含解离的细胞时也可以被打印出出来。那些细胞显示了很好的生存能力,迁移能力和表型行为,这与和胶原共聚凝胶支架相互作用的细胞是一致的。

    有了立体凝胶“画板”的支撑,科学家们只要控制一个细长的针头作为“画笔”,将打印“颜料”注射到合适的位置就可以完成打印了。“画笔”移动的时候,卡波姆凝胶像液体一样让针头在其中滑过,而留下的“笔迹”则会在凝胶中留在原处。

    与传统“边打印边交联”(crosslinking-while-printing)的3D打印思路不同,水凝胶前驱体-纳米粘土材料技术 " target="_blank">复合材料在打印过程中可以在水凝胶前驱体未发生交联反应的情况下,不需要任何支撑结构,仍然有足够的机械强度悬空保持打印的结构。在整个打印过程中,打印的水凝胶前驱体-纳米粘土3D结构中的水凝胶前驱体自身一直保持非交联状态。直到整个结构打印完后,再引入相应的交联机理来实现水凝胶复合材料三维结构的固化。该方法提出了“先打印后交联”(printing-then-crosslinking)的3D打印思路,通过将打印过程和交联反应过程分离,有效避免了3D打印过程中水凝胶前驱体交联反应速度导致的一些系列挑战。所添加的纳米粘土不但可以保证自支撑3D悬空打印过程的顺利进行,还可以有效增强打印出来结构的机械和生物性能。

    “我们没想到CMA具有热可逆性,目前还在探讨其机制。然而,当我们发现了CMA的热可逆性,且这个性质可以被感光交联消除时,就意识到Ⅰ型胶原和甲基丙烯酸酯的联合可以使CMA成为支架3D打印生物墨水的完美之选。”该实验室的前研究生,现食品药品管理局的美国医学生物工程院院士Kathryn Drzewiecki说。在TECHNOLOGY杂志12月刊的报道中,研究团队透过面罩将CMA共聚凝胶暴露于紫外线和光引发剂下,共聚凝胶的特定区域就会发生交联。随后将发生空间交联的凝胶置于冰箱中“低温融化”未暴露的区域,融化的部分可以被冲洗掉,从而分离出模式化的交联共聚凝胶。

    澳门威斯尼人app 3为了展示技术的精细,研究者们还打印起了迷你俄罗斯套娃。注意,图上的标尺长度可只有5毫米。原视频来自:Sam Tracey

    自支撑3D悬空打印方法的机理:

    “如今,机械性能被视作为细胞行为的一个重要调节因素。我们认为对CMA的刚度进行空间调整会成为一个有价值的研究工具,以此探讨CMA的基质刚度如何在2D支架或3D环境中影响细胞行为。”Shreiber说,“在发现CMA的热可逆性后,我们认为CMA可能会在细胞封装和细胞采集方面有一些有趣的应用。”因此罗格斯大学早已批准了非独家的专利技术CMA,同时作为可调基质底物和生物墨水进入市场。“我们十分兴奋地期待着其他工程师和科学家们使用我们的材料。”

    凝胶介质的加入为3D打印技术拓展了更多的可能,它在生物技术、仿生结构等领域都可以找到自己的用武之地。而这种利用寻常材料解决前沿问题的巧妙思路,对工程师们也很有启发性。(编辑:窗敲雨)

    在水凝胶复合材料的3D打印过程中,如何调节水凝胶的交联反应速度以便于3D打印过程的顺利进行,一直是困扰水凝胶自支撑3D悬空打印的重要问题。最近,美国佛罗里达大学机械与航空工程系黄勇教授(Yong Huang)研究小组的金翼飞博士生(Yifei Jin)和同事利用纳米粘土(Laponite nanoclay)在不同应力条件下所独有的凝胶-溶胶转变特性(thixotropic property)开发出了一种基于纳米粘土的水凝胶复合材料自支撑3D悬空打印方法。

    一队来自罗格斯,新泽西州立大学的生物医学工程师将甲基丙烯酸胶原的性质进行独特组合后,展示了胶原作为生物墨水潜力巨大的一面,由胶原制成的生物墨水可以供组织工程和再生医学进行3D支架的简单光刻法印刷。Ⅰ型胶原是人体中存在最为普遍的蛋白质。作为最主要的形成胶原蛋白的纤丝成分,Ⅰ型胶原为许多软组织提供了强度和结构。从组织中提取Ⅰ型胶原也十分简单,因此它常被用作体外研究中的二维或三维基质。此外,Ⅰ型胶原分级自组装为强有力且灵活的纤维的能力和出色的物种间生物相容性都使其广泛应用于组织工程中。3D打印技术日益受到再生医学的欢迎,但Ⅰ型胶原纤维状的高级结构使其作为生物墨水变得更为复杂。

    提供支撑的凝胶基质能与很多材料兼容,硅树脂、凝胶、胶体甚至活细胞的分散液都可以作为“颜料”来进行打印。在经过处理之后,凝胶中的打印品也可以毫发无损地取出。例如,研究者们使用了加入光引发剂的打印材料来制作这些水母,打印制品经过紫外光照射交联之后再经过水洗去,水母们就可以从凝胶介质中解放出来了。

    核心提示:一队来自罗格斯,新泽西州立大学的生物医学工程师将甲基丙烯酸胶原的性质进行独特组合后,展示了胶原作为生物墨水潜力巨大的一面,由胶原制成的生物墨水可以供组织工程和再生医学进行3D支架的简单光刻法印刷。Ⅰ型胶原是人体中存在最为普遍的蛋白质。

    澳门威斯尼人app 4在凝胶中打印的复杂管道结构。原视频来自:Sam Tracey

    在之前的研究中,David Shreiber教授和他的团队用甲基丙烯酸酯使Ⅰ型胶原赖氨酸残基功能化,组成胶原蛋白甲基丙烯胺酰胺,或称为CMA。CMA保留了Ⅰ型胶原的三重螺旋结构,和自组装成纤维和纤维状共聚凝胶的能力。CMA还具有对光不稳定性,在暴露于紫外线造成的自由基时会以纤维形式发生交联。出乎意料的是,CMA同时展示出热可逆性:在低温和生理pH条件下,胶原和CMA均以三重螺旋悬架的形式存在;当温度上升到37℃时,两者都会形成纤维状共聚凝胶;然而温度下降时,Ⅰ型胶原会维持纤维状共聚凝胶状态,但CMA会解离成三重螺旋或短的寡聚物,回复为悬架状态;升温后CMA会再度组成纤维状共聚凝胶。CMA感光交联成为共聚凝胶后就使丧失了热可逆性。

    澳门威斯尼人app 5一只3D打印水母。原视频来自:Sam Tracey

    现在,3D打印早已不是什么新话题,只要在计算机上建好模型,人们就可以用3D打印机在立体的空间里随意“挥毫泼墨”了。但是,这份“随意”依然有一些限制,如果是打印非常纤细复杂的部件,或者使用柔软、脆弱的材料,打印制品都会容易变形。

    参考资料:

    1. Writing in the granular gel medium
    2. Chemistry World:3D printer uses gel matrix to tie the knot

    在这里,研究者们使用的是颗粒大小只有7微米的卡波姆凝胶微粒。这种水凝胶有种特别的物理性质:它平时可以稳定地保持形状,而只需要施加低强度的剪切力就可以让它表现出良好的流动性。这也就是说,当3D打印的材料留在原地时,凝胶可以为它提供支撑,而当打印所用的针头在凝胶中移动时,它周围的凝胶又会流动起来,不阻碍针头的运动。而且,在针头移走之后,周围的凝胶还会再恢复原状。

    而现在,一组美国研究们为这一问题找到了巧妙的解决方案。只要用上一种生活中也很常见的东西,就能让所有纤细的结构都得到支撑,使3D打印获得真正的“自由”。在演示视频中,研究者就用他们的设备毫不费力地打出了拥有纤细触手的“水母”、俄罗斯套娃等复杂结构,并且丝毫不会走样。

    澳门威斯尼人app 6在经过交联处理后,3D打印的小水母就可以毫发无伤地从凝胶中取出。图片来自:T Bhattacharjee, K Schulze, W G Sawyer and T E Angelini, University of Florida

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    关键词: 3D打印 卡波姆 凝胶 粘土