异质组织结构打印的新探索！基于挤出式同轴3D打印材料及流程的设计

来源： EFL生物3D打印与生物制造

基于挤出式的3D打印(E3DP)由于可获得的生物材料和细胞范围广泛且成本低，通常用于体外和原位生物制造。然而，由于油墨性能的限制，这种功能性支架的制造具有挑战性，必须与组织的物理化学和生物学特性相匹配。鉴于此，来自哈尔滨工业大学的刘海涛提出了一种制备E3DP结构油墨的新方法。通过油墨制备和工艺参数优化验证了该工艺的可行性，这些墨水是由铸造和3D打印集成技术制造的。采用计算流体动力学(CFD)模拟方法，对油墨在喷口通道中的流动进行了模拟。通过对挤出纤维截面的分析，确定了这些油墨的几何参数。研究了具有核壳截面的结构油墨对打印纤维的影响机理。以具有对称截面的油墨为例，说明其不同的可打印结构。最后，提出了一种用于E3DP的结构化打印材料设计和制造的新工作流程，这种方法可以丰富E3DP，同时促进异质组织结构的制造。相关论文“Extrusion-based 3D co-printing: Printing material design and novel workflow for fabricating patterned heterogeneous tissue structures”于2023年2月13日发表于杂志《Materials & Design》上。

为了制造异质组织结构，之前的研究最终目标是控制材料组分的分布，可以设想利用单个泵控制打印头将结构化墨水引入E3DP中。在保证挤出纤维的横截面图案与结构油墨的横截面图案的材料分布接近的前提下，拓展了制造异质结构的途径(图1A)。如图1B所示，展示了3D打印结构油墨的制备工艺流程。

图1 基于挤出式的3D共打印系统和油墨制备

使用NX 10.0设计并建模了具有图案的模具，以制造具有核壳和对称截面的材料分布的油墨。所有模具的最大直径为9.50 mm，以适合3 mL的空墨盒，整个高度设置为65 mm，以便在墨水制备过程中操作方便(图2)。

图2 模具装配部分和装有喷嘴的空筒的技术图纸

为确保打印墨水性能与低雷诺数和可成形性相匹配，可用于同轴打印，对结构油墨的两种组分进行了测定。通过从37℃到4℃的温度扫描测试，存在损耗模量与存储模量相等的数据(图3A)。从剪切速率扫描来看，两种复合水凝胶的粘度随剪切速率的增加而降低，表现出剪切稀化特性(图3B)。此外，还进行了振荡频率扫描，以确定油墨的机械光谱，并选择1Hz进行振荡应变扫描(图3C)。在振荡应变扫描测试中，两种复合水凝胶的G’’和G’在高应变下都急剧下降，表明存在剪切屈服现象(图3D)。

图3 根据明胶浓度变化对水凝胶流变学的表征

分别研究了油墨1和油墨2(图1B)，以确定它们相同的工艺参数。对油墨1的工艺参数进行评估，如图4A所示。最终确定挤压压力和打印速度的工艺参数分别为180 kPa、10 mm/s和200 kPa、12 mm/s。图4B为油墨2的工艺参数。作为结构油墨的两种组分，油墨1和2在喷嘴中同时被挤出。因此，两种油墨具有相同的喷嘴规格和温度。最终确定挤压压力和印刷速度的工艺参数分别为160 kPa、8 mm/s和180 kPa、10 mm/s。

图4 工艺参数评价

图5A展示了r0对挤压纤维r1/r2的影响。对于某一喷嘴，r1/r2值随着r0的增大而增大，这是因为当进口1和进口2流量固定时，材料挤压体积与截面面积成正比。研究了2号入口不同组分的结构油墨对r1/r2的影响。因此，通过在入口1和2处使用不同的油墨组分，可以间接地控制挤压纤维的材料分布。图5B显示了2号进口不同组分对r1/r2的影响及差值。

图5 挤出纤维r1/r2上结构油墨r0的分析

图6A展示了共打印过程中r1/r2的变化。两相墨水分别受到滑动产生的摩擦力、材料相界面处的支撑力、挤压压力和重力的作用。此外，还研究了两种物质相之间强烈相互作用力的模拟条件，以确定预置结构油墨的高度，图6B给出了仿真结果。

图6 结构油墨对挤出纤维的影响机理及确定的预设油墨高度

进一步研究了具有对称截面组件的结构油墨作为案例，以显示基于挤压的3D共打印的多样性。详细模拟了预先设定的材料组分和喷嘴规格对挤出纤维的影响(图7A)。对于具有核壳截面的油墨，高度对挤压纤维的物质分布有显著影响。因此，作者也模拟了不同高度的对称截面油墨对纤维的影响(图7B)。

图7 挤压纤维S1/S2上的结构油墨分析

如图8所示，以具有截面图案分布的材料组分结构油墨为基础概念，提出了一种新的、有前景的工作流程(包括几何设计、制备和打印工艺参数的确定)。

图8 基于挤压的3D共打印的建议工作流程(设计、制备和打印结构油墨)

如图9所示，共印模型具有精细的结构和线宽。带有微流体通道的打印结构可以通过溶解明胶(例如，置于37℃水浴中)形成。这种多孔结构有利于营养物质向细胞的运输，也可用于工程毛细血管。

图9 以明胶为第二墨水，以挤出式为基础的3D共打印制备的代表性晶格结构

本文通过介绍独特的结构油墨的设计和制备方法，并通过演示E3DP工艺的可行性，报道了基于挤出式的3D打印结构油墨。具有可控截面材料分布和高度的结构油墨是关键。然后给出了该方法的一般工作流程。该工作流程可以在体外直接构建多种异质结构，从而再现体内的细胞生态位。在此基础上，给出了该方法在工程再生中的应用前景。这些结构油墨由于其易于制备，对非工程师友好，成本低而被应用。需要指出的是，由于该方法具有多种可打印的异构结构，因此也可以应用于其他研究，如软体机器人和柔性可穿戴设备。

综上所述，作者提出了通过基于挤出式的3D打印制造可调谐异质结构的第一步，这种方法也可以启发光固化3D打印的研究，作者预计这种方法将为深入的支架制造带来新的途径，并预测这些尝试将导致在疾病建模、组织再生和药物开发方面的功能化组织的体外构建的进展。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111737