澳門(mén)大學(xué)/劍橋大學(xué): 通過(guò)懸浮 3D 打印中的墨水-懸浮支撐浴匹配實(shí)現(xiàn)水凝膠的成型

來(lái)源： 高分子科學(xué)前沿

當(dāng)前，在生物制造領(lǐng)域，懸浮3D打印技術(shù)可將柔軟和非自支撐類型的水凝膠材料作為墨水實(shí)現(xiàn)3D打印并構(gòu)建成型，被廣泛應(yīng)用于在組織工程和柔性器件制備等方向。在懸浮3D打印的場(chǎng)景中，水凝膠墨水和懸浮支撐浴之間的相互匹配是基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前尚未有針對(duì)不同類型墨水匹配支撐浴的通用法則；有限的墨水支撐浴材料搭配，為懸浮3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。近日，來(lái)自澳門(mén)大學(xué)李奕雯教授和劍橋大學(xué)Yan Yan Shery Huang教授的科研團(tuán)隊(duì)評(píng)估了不同類別的水凝膠墨水（包含pH響應(yīng)墨水，光交聯(lián)墨水，熱敏交聯(lián)墨水，化學(xué)交聯(lián)墨水，陽(yáng)離子和陰離子墨水）在各種代表性懸浮支撐�。�即明膠漿液，瓊脂糖流體凝膠，卡波普凝膠和其他油相混合物等）中的成型性。該研究評(píng)估了不同水凝膠墨水和支撐浴之間的界面穩(wěn)定性，并通過(guò)分析造成界面不穩(wěn)定的影響因素（包括擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)效應(yīng)或電荷驅(qū)動(dòng)效應(yīng)），提出了一個(gè)簡(jiǎn)潔通用的凝膠墨水-支撐浴匹配法則，用于減少試錯(cuò)成本，并提高懸浮3D打印中水凝膠墨水的成型性。這項(xiàng)研究成果有助于擴(kuò)展可用水凝膠材料的范圍，輔助構(gòu)建更多樣的水凝膠結(jié)構(gòu)和更復(fù)雜的功能。相關(guān)工作以“Soft hydrogel shapeability via supportive bath matching in embedded 3D printing”為題，發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊上。該論文第一作者是澳門(mén)大學(xué)的李奕雯助理教授和劍橋大學(xué)的張舵博士，澳門(mén)大學(xué)李奕雯助理教授和劍橋大學(xué)Yan Yan Shery Huang教授為該論文共同通訊作者。澳門(mén)大學(xué)李奕雯助理教授課題組誠(chéng)招水凝膠及增材制造等領(lǐng)域的博士后及博士研究生 (2024年1月入學(xué)) - 詳情請(qǐng)看最后內(nèi)容。

在水凝膠懸浮3D打印中，雖然支撐浴的流變特性至關(guān)重要，但打印結(jié)構(gòu)的最終形狀取決于水凝膠墨水的交聯(lián)動(dòng)力學(xué)，以及水凝膠墨水與支撐浴界面的物理和化學(xué)相互作用。各種力（例如重力、濃度梯度、離子相互作用和界面張力）將會(huì)隨著時(shí)間的推移使打印結(jié)構(gòu)的形狀產(chǎn)生漸變，直到物體完全交聯(lián)。水凝膠墨水和支撐浴各自的理化特征極大地增加了懸浮打印的難度和復(fù)雜性。事實(shí)上，當(dāng)前對(duì)懸浮打印的研究，仍主要局限于幾種支撐浴系統(tǒng)（明膠漿液，卡波普微凝膠和瓊脂糖流體）和超分子水凝膠墨水（如蛋白質(zhì)和多糖等）。然而，水凝膠材料的種類廣泛，從具有不同離子電荷和響應(yīng)行為的小分子單體（幾十道爾頓）到超分子聚合物（幾百萬(wàn)道爾頓），在支撐浴中具有不同的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散特性。此外，懸浮支撐浴自身的局限性（例如在凝膠墨水交聯(lián)期間的不穩(wěn)定，對(duì)凝膠墨水交聯(lián)速率的改變，以及未交聯(lián)的水凝膠墨水的擴(kuò)散），進(jìn)一步限制了該方法的通用性。因此，研究團(tuán)隊(duì)從懸浮打印界面中的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和電荷驅(qū)動(dòng)效應(yīng)兩方面出發(fā)，探索懸浮支撐浴中不同類型凝膠墨水的“可成型性”，對(duì)現(xiàn)有懸浮3D打印技術(shù)提出相應(yīng)的改進(jìn)策略。

圖一: 懸浮3D打印水凝膠墨水的可打印性及成型性的影響因素

圖二: 本文提出的凝膠墨水-支撐浴匹配法則

化學(xué)交聯(lián)凝膠墨水

通過(guò)濕化學(xué)交聯(lián)（例如自由基聚合）從單體合成的水凝膠可以通過(guò)交聯(lián)組分的調(diào)整來(lái)改進(jìn)凝膠自身特性（如機(jī)械強(qiáng)度），例如: 聚丙烯酰胺（PAAm），它被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。PAAm通常由丙烯酰胺單體通過(guò)自由基乙烯基聚合，借助N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（bis-AAm）作為交聯(lián)劑，過(guò)硫酸銨（APS）作為氧化劑和四亞甲基二胺（TEMED）作為催化劑。使用上述配方作為墨水，其中最小分子量成分為~70 Da，該研究發(fā)現(xiàn)沒(méi)有一種主流的水性載體�。�明膠，卡波普和瓊脂糖流體凝膠）能夠?qū)⒈�烯酰胺墨水交�?lián)成型。較差的交聯(lián)性與低分子墨水在水性介質(zhì)中的快速擴(kuò)散有關(guān)，研究建議使用油相混合物支撐浴進(jìn)行懸浮打印，以克服小分子墨水的擴(kuò)散問(wèn)題。

光交聯(lián)凝膠墨水

通過(guò)光交聯(lián)固化水凝膠是當(dāng)前熱門(mén)的3D打印方法。由于光引發(fā)劑的分子尺寸小，通常具有較快的擴(kuò)散速率。目前，在懸浮打印中，對(duì)于光引發(fā)劑的不同存在方式如何影響交聯(lián)效率，目前還沒(méi)有明確的共識(shí)。該研究結(jié)果表明，為實(shí)現(xiàn)光照交聯(lián)時(shí)間的最小化，凝膠墨水和支撐浴中需要同時(shí)具備達(dá)平衡量的光引發(fā)劑；若需減少光引發(fā)劑的含量，在支撐浴中添加引發(fā)劑的系統(tǒng)比在凝膠墨水中添加引發(fā)劑的系統(tǒng)具備更好的交聯(lián)效率。

蛋白質(zhì)凝膠墨水

基于蛋白質(zhì)的生物墨水，如膠原蛋白，通常在生理溫度下通過(guò)熱交聯(lián)方法進(jìn)行交聯(lián)。雖然蛋白質(zhì)是大尺寸分子，平均分子量超過(guò)50 kDa，但由于其交聯(lián)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致較差的成型性。因此，選擇具有熱穩(wěn)定性的懸浮支撐浴是在長(zhǎng)交聯(lián)時(shí)間內(nèi)保持蛋白質(zhì)基墨水成型的關(guān)鍵。卡波普和瓊脂糖流體支撐浴都可以實(shí)現(xiàn)膠原蛋白墨水的成功交聯(lián)。卡波普支撐浴具備熱穩(wěn)定性且酸堿度呈中性，可實(shí)現(xiàn)更佳的成型性。

pH響應(yīng)凝膠墨水

pH響應(yīng)性水凝膠，如聚丙烯酸（PAA），在pH變化下會(huì)不可避免地發(fā)生溶脹行為，極大地?fù)p害其成型性。傳統(tǒng)的支撐浴，如卡波普和明膠漿，由于pH條件不相容，不能在打印過(guò)程中抑制溶脹問(wèn)題。研究建議使用油相支撐浴，例如具有剪切稀化行為和適當(dāng)流變性的二氧化硅礦物油支撐浴，用于構(gòu)建pH響應(yīng)水凝膠。油相介質(zhì)可抑制水分子的遷移運(yùn)動(dòng)，因此水凝膠在其中不會(huì)產(chǎn)生溶脹效應(yīng)。此外，為了降低親水性油墨和疏水性支撐浴之間的界面張力并減少打印結(jié)構(gòu)的形狀改變，可以在支撐浴中補(bǔ)充表面活性劑。

陰離子凝膠墨水

使用對(duì)離子濃度敏感的支撐浴打印陰離子水凝膠可損害其成型性。以卡波普支撐浴為例，離子交聯(lián)劑的加入不但會(huì)影響支撐浴的流變特性，而且會(huì)促使卡波普由于鹽析效應(yīng)產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致打印失敗。與此相對(duì)的，瓊脂糖流體凝膠和明膠漿液的流變特質(zhì)對(duì)離子強(qiáng)度不敏感，在這兩種支撐浴中打印出的結(jié)構(gòu)可以成功地交聯(lián)固化。

陽(yáng)離子凝膠墨水

陽(yáng)離子水凝膠在生物醫(yī)學(xué)中作為一種流行的材料被廣泛應(yīng)用，然而懸浮打印陽(yáng)離子水凝膠的可行性很少在文獻(xiàn)中得到證明。有鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)使用帶陽(yáng)離子的殼聚糖凝膠作為墨水，并使用不同的主流支撐浴打印，研究支撐浴的適配能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶陰離子的卡波普支撐浴和殼聚糖墨水會(huì)因?yàn)橄喾措姾傻撵o電吸引而產(chǎn)生打印拖拽現(xiàn)象；相比之下明膠漿液與殼聚糖墨水的相容性較好，適合打印陽(yáng)離子凝膠墨水。

李奕雯研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
澳門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系李奕雯博士（助理教授）具有增材制造技術(shù)、高分子材料、水凝膠材料、生物醫(yī)用工程等跨學(xué)科研究背景。2016年在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院 (Imperial College London) 取得本碩連讀學(xué)位（一等榮譽(yù)畢業(yè)）。2022年博士畢業(yè)于英國(guó)劍橋大學(xué)，主要從事軟材料增材制造、水凝膠材料和柔性仿生模型等研究，期間獲得劍橋大學(xué)應(yīng)用研究學(xué)會(huì) (Cambridge Society for the Application of Research) 的優(yōu)秀博士生獎(jiǎng)、國(guó)際生物制造學(xué)會(huì) (International Society for Biofabrication) 的優(yōu)秀博士生獎(jiǎng)、劍橋大學(xué)W D Armstrong獎(jiǎng)學(xué)金等，并入選為2022年全球青年科學(xué)家峰會(huì) (Global Young Scientists Summit) 參加者之一。近年主要從事仿生物結(jié)構(gòu)、軟物質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)等研究，在國(guó)際知名雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文，包括Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Biofabrication, Acta Biomater. 等國(guó)際期刊。本課題組學(xué)術(shù)氛圍濃厚，鼓勵(lì)不同學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的討論和學(xué)術(shù)創(chuàng)新，以培養(yǎng)獨(dú)立科研能力的研究人員及營(yíng)造高水平的健康學(xué)術(shù)氛圍為目標(biāo)。課題組的PI具有多年海外經(jīng)歷，與劍橋大學(xué)、南方科技大學(xué)課題組保持緊密合作關(guān)系。