一种用于增强水凝胶-陶瓷界面强度的多尺度复合3D打印策略

供稿人:邱镇南、贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

提软硬材料的结合界面强度一直是组织工程中一个重要的挑战。在人体中，肌肉与骨骼、软骨与骨等界面都是通过过渡软组织自然结合在一起的，但现有挤出式打印、化学键结合等方法难以制造符合需求的复合界面。该参考文献提出了一种将静电直写、陶瓷挤出打印和水凝胶灌注结合的多尺度复合3D打印策略用以提升水凝胶-陶瓷界面的结合强度。

该策略基本步骤如图1所示，首先用静电直写打印出由微米PCL纤维构成的网格支架；然后直接在PCL网格支架的基础上打印生物陶瓷墨水，使得交界处的陶瓷墨水嵌入PCL网格支架中，之后打印出的多孔陶瓷部分形成硬骨部分；最后将水凝胶灌注到剩余的未被陶瓷包裹的PCL网格支架中形成软骨部分。

图1 多尺度复合3D打印策略示意图

在该复合结构中，生物陶瓷形成的硬骨成为了力学基底，微米PCL纤维支架成为了软质水凝胶与硬质陶瓷之间的力学过度层，同时水凝胶与PCL支架复合的结构在保留水凝胶生物学性能的同时提高了其力学强度。经过试验测试，这种策略制造的水凝胶-陶瓷界面与直接将水凝胶灌注在陶瓷表面的界面其切变强度提高了6.5倍。而与单纯的水凝胶-PCL支架复合结构相比，其压缩模量也提高了3倍左右。

图2 复合结构力学性能测试

总的来说，该研究提出的多尺度复合打印策略提供了一种实用的增强人工软硬材料结合界面强度的思路，不仅在水凝胶-陶瓷界面的增强中可以适用，也可用于其他生物材料的复合。

参考文献：
Paweena Diloksumpan, Mylène de Ruijter,  Combining multi-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces 2020 Biofabrication 12 025014
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab69d9