喷墨/喷雾复合打印多层水凝胶

供稿人:焦天、连芩

喷墨打印可以每秒打印数万个微小的液滴，可以高效的制造高精度的复杂图案，有望用于异质性复杂生物组织的制造。由于缺乏打印性能优异、生物相容性高的生物墨水以及高精度的固化成型方法，阻碍了喷墨打印技术的应用。

最近韩国浦项科技大学Yoon等人通过明胶和甲基丙烯酸酐的反应，获得了甲基丙烯酸化的明胶（GelMA），随后将GelMA与NaOH皂化反应形成了皂化GelMA材料（sp-GelMA）。如图1所示，通过皂化反应，GelMA的分子链变短（图1a），粘度降低（图1b），实现了GelMA材料的喷墨打印（1c、1d）。为进一步改善材料的打印性能和成胶效率，在sp-GelMA中混合了0.7%（w/v）的海藻酸钠。课题组对比了不同浓度sp-GelMA和0.7% （w/v）的海藻酸钠混合材料的孔隙率、压缩模量和细胞相容性。确定了最佳的材料比例为0.7%（w/v）的海藻酸钠混合4.5%（w/v）的sp-GelMA。

图1 通过皂化反应改善了GelMA的流变特性与打印性能

课题组使用上述材料与人体真皮成纤维细胞制成了生物墨水，采用喷墨和喷雾混合打印方式制造了含细胞的多层水凝胶结构。如图2所示，通过逐层打印生物墨水和喷射雾化氯化钙溶液实现交联固化，构建多层水凝胶，打印完成后采用紫外照射，进行二次交联固化，从而构建精度高、力学性能优异的多层水凝胶结构。课题组对打印的多层水凝胶进行了生物学评价，打印后细胞生长良好，并检测到细胞生长产生的多种分泌物（图3）。

图2 喷墨/喷雾打印多层水凝胶

图3 （a）打印8天后细胞活性，（b）细胞分泌物质的染色（绿色：胶原，红色纤维型肌动蛋白，蓝色：细胞核）
课题组开发的生物墨水具有优异的打印性能和细胞相容性，克服了以往喷墨打印墨水的不足。喷墨与喷雾混合打印方式能够高效率、高精度的制造力学性能优异的多层复杂结构，有望用于异质性复杂组织的制造。

参考文献：
1.Sejeong Yoon, Ju An Park, Hwa-Rim Lee, et al. Inkjet–Spray Hybrid Printing for 3D Freeform Fabrication of Multilayered Hydrogel Structures [J]. Advanced Healthcare Materials, 2018, 1800050:1-10

供稿人:焦天、连芩  供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室