噴墨/噴霧復(fù)合打印多層水凝膠

供稿人:焦天、連芩

噴墨打印可以每秒打印數(shù)萬個微小的液滴，可以高效的制造高精度的復(fù)雜圖案，有望用于異質(zhì)性復(fù)雜生物組織的制造。由于缺乏打印性能優(yōu)異、生物相容性高的生物墨水以及高精度的固化成型方法，阻礙了噴墨打印技術(shù)的應(yīng)用。

最近韓國浦項科技大學(xué)Yoon等人通過明膠和甲基丙烯酸酐的反應(yīng)，獲得了甲基丙烯酸化的明膠（GelMA），隨后將GelMA與NaOH皂化反應(yīng)形成了皂化GelMA材料（sp-GelMA）。如圖1所示，通過皂化反應(yīng)，GelMA的分子鏈變短（圖1a），粘度降低（圖1b），實現(xiàn)了GelMA材料的噴墨打印（1c、1d）。為進一步改善材料的打印性能和成膠效率，在sp-GelMA中混合了0.7%（w/v）的海藻酸鈉。課題組對比了不同濃度sp-GelMA和0.7% （w/v）的海藻酸鈉混合材料的孔隙率、壓縮模量和細(xì)胞相容性。確定了最佳的材料比例為0.7%（w/v）的海藻酸鈉混合4.5%（w/v）的sp-GelMA。

圖1 通過皂化反應(yīng)改善了GelMA的流變特性與打印性能

課題組使用上述材料與人體真皮成纖維細(xì)胞制成了生物墨水，采用噴墨和噴霧混合打印方式制造了含細(xì)胞的多層水凝膠結(jié)構(gòu)。如圖2所示，通過逐層打印生物墨水和噴射霧化氯化鈣溶液實現(xiàn)交聯(lián)固化，構(gòu)建多層水凝膠，打印完成后采用紫外照射，進行二次交聯(lián)固化，從而構(gòu)建精度高、力學(xué)性能優(yōu)異的多層水凝膠結(jié)構(gòu)。課題組對打印的多層水凝膠進行了生物學(xué)評價，打印后細(xì)胞生長良好，并檢測到細(xì)胞生長產(chǎn)生的多種分泌物（圖3）。

圖2 噴墨/噴霧打印多層水凝膠

圖3 （a）打印8天后細(xì)胞活性，（b）細(xì)胞分泌物質(zhì)的染色（綠色：膠原，紅色纖維型肌動蛋白，藍色：細(xì)胞核）
課題組開發(fā)的生物墨水具有優(yōu)異的打印性能和細(xì)胞相容性，克服了以往噴墨打印墨水的不足。噴墨與噴霧混合打印方式能夠高效率、高精度的制造力學(xué)性能優(yōu)異的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有望用于異質(zhì)性復(fù)雜組織的制造。

參考文獻：
1.Sejeong Yoon, Ju An Park, Hwa-Rim Lee, et al. Inkjet–Spray Hybrid Printing for 3D Freeform Fabrication of Multilayered Hydrogel Structures [J]. Advanced Healthcare Materials, 2018, 1800050:1-10

供稿人:焦天、連芩  供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室