基于水凝胶微粒生物墨水的挤出生物3D打印

来源： EFL生物3D打印与生物制造

水凝胶微粒是一种新兴的生物墨水，可以实现大多数软生物材料的三维打印。然而，水凝胶微粒在打印喷嘴内堵塞和流动的机制没有充分的研究。来自Texas A&M University的Daniel L. Alge和Akhilesh K. Gaharwar团队阐明了水凝胶微粒的特性，展示了打印装置对水凝胶微粒墨水流动的影响。相关论文“Generalizing hydrogel microparticles into a new class of bioinks for extrusion bioprinting”近期发表在“Science Advances”期刊上。

研究团队使用聚乙二醇（PEG）水凝胶微粒作为生物墨水，研究水凝胶微粒在喷嘴中流动的机制，研究团队使用3种不同大小的水凝胶微粒和2种喷嘴形状进行长丝挤出测试。结果表明精密尖状喷嘴由于头部直径变化太大，不适合水凝胶微粒生物墨水的打印。通过改变喷嘴与水凝胶微粒的直径比，可以实现连续打印。

图1 水凝胶微粒流动打印过程

图2 水凝胶微粒生物墨水打印需要低阻力和大口径喷嘴

接着，研究团队探究了打印保真度，结果表明较小直径的水凝胶微粒和较小直径的喷嘴有利于提高打印保真度。

图3 水凝胶微粒打印保真度

随后，研究团队探讨了水凝胶微粒机械性能对打印稳定性的影响，结果表明经历更高的应力和阻力，会使得水凝胶微粒更紧密的堆积，从而提高打印的质量。

图4 水凝胶微粒的机械性能对其变形和打印稳定性的影响

最后，研究团队探究了打印过程对封装在水凝胶微粒内的细胞的影响，结果表明更高的剪切应力会影响细胞活性，所以需要在可打印性和细胞活力之间做出平衡。

图5 水凝胶微粒的机械特性影响封装细胞的活力

总而言之，研究团队细致的研究了水凝胶微粒内部机械性能和流动阻力，高的可打印性需要小直径的喷嘴和小直径的水凝胶微粒，而高的细胞活力需要大直径的喷嘴和大直径的水凝胶微粒。该结论可以推广到不同材料配置的水凝胶微粒的生物墨水体系中，提高水凝胶微粒的可打印性并促进其在3D生物打印中的应用。

文章来源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3087