一種用于增強水凝膠-陶瓷界面強度的多尺度復(fù)合3D打印策略

供稿人:邱鎮(zhèn)南、賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

提軟硬材料的結(jié)合界面強度一直是組織工程中一個重要的挑戰(zhàn)。在人體中，肌肉與骨骼、軟骨與骨等界面都是通過過渡軟組織自然結(jié)合在一起的，但現(xiàn)有擠出式打印、化學(xué)鍵結(jié)合等方法難以制造符合需求的復(fù)合界面。該參考文獻提出了一種將靜電直寫、陶瓷擠出打印和水凝膠灌注結(jié)合的多尺度復(fù)合3D打印策略用以提升水凝膠-陶瓷界面的結(jié)合強度。

該策略基本步驟如圖1所示，首先用靜電直寫打印出由微米PCL纖維構(gòu)成的網(wǎng)格支架；然后直接在PCL網(wǎng)格支架的基礎(chǔ)上打印生物陶瓷墨水，使得交界處的陶瓷墨水嵌入PCL網(wǎng)格支架中，之后打印出的多孔陶瓷部分形成硬骨部分；最后將水凝膠灌注到剩余的未被陶瓷包裹的PCL網(wǎng)格支架中形成軟骨部分。

圖1 多尺度復(fù)合3D打印策略示意圖

在該復(fù)合結(jié)構(gòu)中，生物陶瓷形成的硬骨成為了力學(xué)基底，微米PCL纖維支架成為了軟質(zhì)水凝膠與硬質(zhì)陶瓷之間的力學(xué)過度層，同時水凝膠與PCL支架復(fù)合的結(jié)構(gòu)在保留水凝膠生物學(xué)性能的同時提高了其力學(xué)強度。經(jīng)過試驗測試，這種策略制造的水凝膠-陶瓷界面與直接將水凝膠灌注在陶瓷表面的界面其切變強度提高了6.5倍。而與單純的水凝膠-PCL支架復(fù)合結(jié)構(gòu)相比，其壓縮模量也提高了3倍左右。

圖2 復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試

總的來說，該研究提出的多尺度復(fù)合打印策略提供了一種實用的增強人工軟硬材料結(jié)合界面強度的思路，不僅在水凝膠-陶瓷界面的增強中可以適用，也可用于其他生物材料的復(fù)合。

參考文獻：
Paweena Diloksumpan, Mylène de Ruijter,  Combining multi-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces 2020 Biofabrication 12 025014
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab69d9