纖維素納米晶作為雙液滴自由3D打印的支撐納米材料

供稿人：楊帆 高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

3D打印作為新興的制造技術(shù)，通過沉積多層生物材料墨水來制造生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種復(fù)雜幾何圖案。在常見的3D打印方式中，擠出式打印的制作速度較慢、分辨率偏低，激光型打印的成本較高且反應(yīng)期間的紫外線暴露具有一定的細胞毒性，而基于液滴的打印使用熱力、壓電和聲力沉積單個小體積液滴（每納升），可將分辨率提高至30μm，更適用于較為復(fù)雜的醫(yī)學(xué)模型。海藻酸鹽及其衍生物由于其生物相容性、生物降解性、低毒性和溫和的離子凝膠作用，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的3D打印墨水。但其層壓受到假塑性性能的干擾，故需對海藻酸鹽的流變性能進行改進。纖維素納米晶體（CNCs）是一種剛性紡錘形晶體納米材料，具有高長徑比（長度50-500 nm，寬度3-5 nm）、高結(jié)晶度（54%-88%）、生物相容性、生物降解性、可再生性和低細胞毒性等特性，可用作假塑性生物材料墨水的增強劑及3D打印的支撐材料。

在本研究中，韓國的研究人員以纖維素納米晶體為載體納米材料，開發(fā)了一種基于雙液滴的、自由形狀的假塑性海藻酸鹽生物材料墨水3D打印方法，如圖1所示。通過改變纖維素納米晶體-氯化鈣混合物的組成和海藻酸鹽的濃度，以提高打印性能，獲得具備形狀保真度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的流變特性，在3D打印期間鈣離子擴散使海藻酸鹽交聯(lián)，形成海藻酸鹽水凝膠。

圖1 基于雙液滴的自由形狀3D打印方法示意圖。（A）以CNCs- CaCl2混合物為載體的雙噴嘴海藻酸假塑性生物材料墨水的印刷工藝。（B）固化和去除支撐材料的印后工藝。

通過評估懸垂特征的打印、層間分層和應(yīng)力-應(yīng)變曲線來表征3D打印海藻酸鹽水凝膠的打印性能和力學(xué)性能，海藻酸鹽水凝膠的固有特性得到了保留。通過打印不同結(jié)構(gòu)的海藻酸鹽水凝膠，評價其自由打印能力，表明成功實現(xiàn)了高度復(fù)雜和復(fù)雜模型的自由形式3D打印，如圖2所示。此外，研究人員還打印了負載牛血清白蛋白的多層球體，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)海藻酸鈉的濃度和球體層寬，在模擬胃腸環(huán)境中顯示出蛋白質(zhì)的受控和持續(xù)釋放。該平臺可進一步應(yīng)用于其他肽和蛋白質(zhì)藥物，如胰高血糖素樣肽-1、胰島素和降鈣素，研究具有可調(diào)釋放模式的個性化口服給藥。最后，該方法與多種假塑性生物材料墨水兼容，可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的自由3D打印。

圖2 3D打印海藻酸鹽水凝膠的表征。（A）從多個角度對CNCs支撐材料、CNCs-CaCl2混合物和CNCs-海藻酸混合物生產(chǎn)的水凝膠進行懸垂評價試驗。（B）不同塊寬和CaCl2濃度的海藻酸水凝膠的分層評價。（B）3D打印海藻酸水凝膠、非打印海藻酸水凝膠和非打印海藻酸- CNCs水凝膠的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（D）使用3D打印的小熊膠、嵌入式字母標(biāo)簽、人耳、藻酸鹽水凝膠球等各種結(jié)構(gòu)。

參考文獻：
Yoon H S , Yang K , Kim Y M , et al. Cellulose Nanocrystals as Support Nanomaterials for Dual Droplet-Based Freeform 3D Printing[J]. Carbohydrate Polymers, 2021(31):118469.