浙大楊華勇院士團隊：生物軟材料的順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印工藝

來源：生物制造工藝與裝備團隊

一種新的基于液滴對撞的生物軟材料噴墨3D打印工藝近期引起關注，因其在打印結(jié)構(gòu)的組成、拓撲和性質(zhì)的時空控制方面展現(xiàn)出巨大的體素增材制造前景，在組織工程、藥物控釋、生物電子、軟體機器人和食品科學等應用領域極具潛力。然而，該新型工藝發(fā)展面臨適用生物軟材料有限和工藝機理模糊等問題，限制了其性能提升和廣泛應用。

為解決這些痛點，浙大機械學院楊華勇院士團隊的尹俊教授組和浙大邵逸夫醫(yī)院王一帆教授組合作，提出一種順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法（圖1）并闡明了工藝過程的動力學（圖2-4），該方法有效拓展了可打印材料范圍并展示出優(yōu)異的成形性能（圖5）和生物相容性（圖6）。相關成果以“Sequential-crosslinking facilitated droplet-droplet collision inkjet 3D printing of soft biomaterials”為題于2025年5月9日發(fā)表在增材制造旗艦期刊《Additive Manufacturing》上。

圖1. 順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法

圖1分別展示了該方法打印光交聯(lián)（e.g., GelMA）和非光交聯(lián)（e.g., PEDOT:PSS）生物軟材料的原理及過程。該方法同時涉及主墨水和輔墨水兩種墨水，主墨水主要包含目標生物材料原液（如GelMA或PEDOT:PSS）和另一種可快速交聯(lián)生物軟材料原液（本研究選擇海藻酸鈉），而輔墨水主要由流變調(diào)節(jié)成分PEG、目標生物軟材料交聯(lián)劑和海藻酸鈉交聯(lián)劑Cacl2構(gòu)成。通過兩個傾斜的壓電噴墨噴嘴同時噴射主墨水和輔墨水液滴，并控制兩種液滴在空中發(fā)生碰撞和融合，每個融合液滴內(nèi)部海藻酸鈉的離子交聯(lián)被觸發(fā)，部分交聯(lián)的融合液滴被堆積成設計的3D結(jié)構(gòu)，最后再將結(jié)構(gòu)中的目標生物材料進一步固化。該方法中，通過空中液滴對撞觸發(fā)的海藻酸鈉離子交聯(lián)具有維持打印結(jié)構(gòu)和固定每個液滴中目標生物軟材料兩個作用。

該方法不僅實現(xiàn)了液滴產(chǎn)生和液滴沉積之間的粘彈性解耦——即液滴產(chǎn)生需要較低的粘彈性，而液滴沉積并組裝為3D結(jié)構(gòu)需要相對較高的粘彈性，同時分離了目標生物軟材料的成形和交聯(lián)，尤其適合慢交聯(lián)生物軟材料成形（如本研究展示的GelMA）。

為了深入理解液滴對撞噴墨3D打印過程的成形機理以指導打印過程優(yōu)化和精準調(diào)控，在穩(wěn)定形成液滴的前提下（圖2），對不同材料和工藝條件下的液滴對撞過程動力學進行了詳細分析，揭示了聚結(jié)和拉伸分離兩種不同的液滴對撞模式，穩(wěn)定的打印過程需要聚結(jié)模式而避免拉伸分離模式；并建立了碰撞模式的無量綱相圖和模式轉(zhuǎn)變的半經(jīng)驗模型（圖3）。進一步對合并后液滴的沉積規(guī)律和2D打印性能進行了探究（圖4），本研究實驗設置下，可實現(xiàn)最小114 微米點直徑和最小122微米線寬，優(yōu)于已有液滴對撞噴墨3D打印研究。

圖2. 墨水流變曲線及穩(wěn)定的液滴形成過程

圖3. 液滴對撞行為及其無量綱相圖

兩種液滴對撞模式

圖4. 對撞融合后液滴的沉積行為及2D成形

圖5展示了順序交聯(lián)式液滴對撞噴墨3D打印方法的成形能力，包括含GelMA的金字塔，空心圓管等結(jié)構(gòu)，以及含PEDOT:PSS的金字塔和復雜曲率特征結(jié)構(gòu)等。圖6中打印人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞HUVECs的結(jié)果展示了該方法良好的生物相容性。

圖5. 不同生物軟材料的復雜結(jié)構(gòu)3D成形

圖6. 載HUVECs活細胞的生物打印及活性和增值表征

經(jīng)費來源：該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃（2024YFB4607700）的支持。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104809