浙江大學(xué)團隊：用于三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造的多材料同步嵌入式打印方法

來源：極端制造 IJEM

為了模擬天然組織的自然異質(zhì)性，并為細胞培養(yǎng)提供更好的微環(huán)境，多材料生物打印正成為體外構(gòu)建組織模型的常見解決方案。采用嵌入式打印方法，可以以適合的形狀保真度打印出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的生物材料。然而，當前的多材料嵌入式打印方法面臨著一個重大挑戰(zhàn)，即打印結(jié)構(gòu)完整性和打印精度之間不可避免的權(quán)衡問題。

近期，浙江大學(xué)機械工程學(xué)院楊華勇院士團隊提出了一種同步使用多種材料的嵌入式打印方法。通過多個可以獨立控制的噴嘴，使不同的生物材料可以精確地沉積在同一液化區(qū)中，這最大限度地減少了不受控制的擠壓，并避免了打印結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入支持浴的殘留。

研究團隊對生物墨水在嵌入介質(zhì)中的擠出過程進行動力學(xué)分析，系統(tǒng)性地解釋了同步打印的機理，并且從打印工藝角度定量評估了打印參數(shù)對打印微絲3D形態(tài)的影響。同步打印方法實現(xiàn)了多層薄壁生物組織模型的體外精準構(gòu)建，并且增強了多層之間的粘結(jié)強度，同時保證了打印結(jié)構(gòu)的完整性和精度。相關(guān)工作以《Simultaneous Multimaterial Embedded Printing for 3D Heterogenous Structures》為題發(fā)表在SCI核心期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上。

亮點
對生物墨水在懸浮介質(zhì)中擠出過程的動力學(xué)特征進行了建模與實驗驗證，提出對墨水原位沉積進行精確控制方法。

提出了一種使用多噴頭、同步打印多種生物材料構(gòu)建復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的嵌入式打印方法，在多材料打印路徑不重疊的情況下，顯著增強層間的粘結(jié)強度，保證了打印結(jié)構(gòu)的完整性和精度。

使用5%GelMA等超軟生物材料，打印以小腸結(jié)構(gòu)為代表的多層薄壁復(fù)雜組織模型，其結(jié)構(gòu)保真度高，不同材料間相互侵入程度低。


研究背景
嵌入式打印作為一種新興的打印方法，通過將生物墨水保持在嵌入介質(zhì)原位而用于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的打印。懸浮介質(zhì)的特性限制了墨水所受的重力坍塌，但也影響了相鄰微絲之間的粘結(jié)。目前，相鄰的微絲在空間上采用重疊設(shè)計，以確保它們可以相互連接。當用單一材料打印連續(xù)結(jié)構(gòu)時，打印路徑部分重疊的方法已被證明是有效的。但當打印具有多種材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，微絲的重疊可能導(dǎo)致相鄰微絲不受控制的堆疊和擠壓，并導(dǎo)致不同材料在打印結(jié)構(gòu)中的空間分布不可控。因此，研究團隊針對在保持整體結(jié)構(gòu)完整性同時打印具有精確材料分布異質(zhì)結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，提出了多材料同步嵌入式打印方法，即使用多個獨立控制的噴嘴，使不同的生物材料可以精確地沉積在同一液化區(qū)中，這最大限度地減少了不受控制的擠壓，并避免了打印結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入支持浴的殘留。通過對生物墨水在嵌入介質(zhì)中的擠出過程進行動力學(xué)分析，系統(tǒng)性的解釋了同步打印的機理，并提出了保持打印結(jié)構(gòu)完整性的打印窗口。定量評估了打印參數(shù)對打印微絲3D形態(tài)的影響，實現(xiàn)了多種人體組織模型的體外精準構(gòu)建并且增強了層間的連接強度。

圖1 同步打印方法示意圖。

實驗結(jié)果
研究團隊首先研究了生物墨水的沉積過程，從墨水離開噴嘴到打印介質(zhì)與其周圍嵌入介質(zhì)之間的相對速度為零的穩(wěn)定狀態(tài)。建立了一個簡化模型，假設(shè)如下：a）生物墨水和嵌入介質(zhì)都是不可壓縮的。b）沉積過程是絕熱過程。c）在打印過程中，嵌入介質(zhì)的粘度隨著移動噴嘴周圍剪切速率梯度引起的梯度而變化。d）生物墨水在被擠出后的粘度是恒定的，并且在分析的生物墨水中沒有速度梯度。對于特定嵌入介質(zhì)中的恒定打印速度，可以估計噴嘴周圍的剪切速率場和粘度場。因此，在已知的擠出壓力下，可以針對選定的微質(zhì)量單位來分析生物墨水在嵌入介質(zhì)中行進的距離。通過傾斜噴嘴，可以控制垂直和水平方向上的位移分量，進而實現(xiàn)同步打印過程中相鄰微絲可控的橫向粘結(jié)。

圖2 單噴頭生物墨水擠出距離的評估

圖3 同步打印過程中微絲融合相圖

在打印過程中，打印微絲的形態(tài)對3D結(jié)構(gòu)的形成有很大影響。微絲作為3D打印結(jié)構(gòu)的基本單元，其形態(tài)特征可以作為打印過程的表征指標。打印微絲從兩個方面進行評估：長寬比和寬度。在恒定流量的條件下，可以通過打印速度及嵌入介質(zhì)黏度預(yù)測單獨打印微絲的形態(tài)指標。對于同步打印方法，由于打印過程的復(fù)雜性，很難用打印參數(shù)直接評估微絲形態(tài)。因此，研究團隊通過對比單獨打印方法與同步打印方法來預(yù)測同步打印方法中使用的附加噴嘴帶來的影響。對于低黏度的嵌入介質(zhì)，由于其良好的自恢復(fù)性減少了墨水的上溢現(xiàn)象，導(dǎo)致了微絲截面更接近于1的長寬比，這有助于打印出與軌跡設(shè)計中更相似的三維結(jié)構(gòu)。由于同步打印擠出墨水處于同一嵌入介質(zhì)液化區(qū)內(nèi)，墨水受到較小的干擾，對于高打印速度，微絲仍能在保證融合的情況下實現(xiàn)高精度的沉積（~100μm）。綜上所述，在高打印速度和低黏度嵌入介質(zhì)的條件下，使用本研究提出的打印方法仍然可以打印具有良好位置保真度的高精度微絲，這有助于制造復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖4 同步打印過程關(guān)鍵物理量影響因素及優(yōu)化探究

利用提出的打印技術(shù)，研究團隊打印了人體中常見的多層結(jié)構(gòu)，例如多層直管，多層Y管和多層球狀結(jié)構(gòu)及小腸及肝臟的近似模型，結(jié)果表明對于直線、曲線及折線的截面形狀，在結(jié)構(gòu)提取及清洗的過程中兩層之間始終貼合，為了進一步評估多層結(jié)構(gòu)之間的附著和打印精度，沿軸向切割打印的三維結(jié)構(gòu)，并用明場顯微鏡觀察截面。從剖面圖中，可觀察到結(jié)構(gòu)的兩層緊密連接在一起，同時兩層之間保持清晰的界面，且線條絲徑均勻，精度控制準確。

圖5 同步打印多層組織模型

在力學(xué)強度方面，本研究分別利用順序打印、同步打印和鑄造的方式制造了尺寸相同的T形標準樣品，通過T剝離的粘結(jié)強度測試方法，順序打印和同步打印樣品呈現(xiàn)出不同的粘結(jié)破壞形式，并且同步打印樣品可以承受更大的力，證明同步打印方法制造的多層結(jié)構(gòu)可以得到比順序打印方法更好的粘結(jié)強度。

圖6 力學(xué)剝離測試的結(jié)果

研究總結(jié)
研究團隊提出了一種同時進行多材料嵌入打印的方法，該方法利用簡化模型分析了擠出生物墨水的動力學(xué)，并在實驗中進行了驗證，利用墨水的動態(tài)特性，使用多個單獨控制的噴嘴以傾斜的角度，將不同的材料沉積到嵌入介質(zhì)同一液化區(qū)中，控制微絲牢固融合并沉積在準確的空間位置。對于同步打印方法，本研究通過調(diào)整打印速度和嵌入介質(zhì)的流變特性來提高打印精度和結(jié)構(gòu)形態(tài)，打印了各種管狀和球形多層結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示出良好的精度，并且與傳統(tǒng)的順序打印方法相比層間的粘結(jié)強度顯著提升。本研究為體外構(gòu)建具有更好結(jié)構(gòu)完整性和精度的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新的思路。

研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0703000）、國家自然科學(xué)基金青年項目（52105310），浙江省自然科學(xué)基金重大項目（LDQ23E050001）以及浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金（SN-ZJU-SIAS-004）的支持。

Gao Z Q, Yin J, Liu P, Li Q, Zhang R A, Yang H Y, Zhou H Z. 2023. Simultaneous multi-material embedded printing for 3D heterogeneous structures. Int. J. Extrem. Manuf. 5 035001.

https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd285

研究團隊
高梓祺#，尹俊#，劉鵬，李琦，張潤岸，楊華勇，周竑釗*（#：第一作者；*：通訊作者）
圖片

△周竑釗，浙江大學(xué)機械工程學(xué)院副研究員。

2014年本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)，2015年于亞利桑那州立大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2019年于巴斯大學(xué)獲得博士學(xué)位。主要從事生物軟材料增材制造技術(shù)研究，利用復(fù)雜機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計與控制技術(shù)，對生物軟材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)成型、多細胞多材料異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)體外構(gòu)建等問題進行系列研究創(chuàng)新，相關(guān)成果發(fā)表于《Biofabrication》、《IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics》、《Additive Manufacturing》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等期刊。主持國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金重大項目等科研項目。