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深圳先進院阮長順、哈工大韓振宇 Nat. Commun.：變纖維直徑3D打印技術(shù)為梯度仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供新策略

2024-04-12 來源：高分子科技

具有高適用性的擠出3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于類器官生物制造、組織工程等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)擠出3D打印在墨水沉積軌跡上只可生產(chǎn)固定直徑纖維，限制其難以設(shè)計制造復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)。

近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院阮長順研究員團隊聯(lián)合哈爾濱工大學韓振宇教授團隊，醫(yī)工融合，提出了變纖維直徑3D打印技術(shù)，為仿生梯度結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供新思路，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications期刊，題為“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”。該研究通過定制3D打印運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)擠出3D打印纖維直徑的精準控制，革新均勻纖維堆積的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的精準制造，為異質(zhì)器官仿生構(gòu)建提供新策略。傳統(tǒng)擠出3D打印采用平行切片方法，其在層內(nèi)打印時保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉積形成的纖維直徑也保持恒定（如圖1a,b）。盡管傳統(tǒng)3D打印策略被普遍接受并已成為制造均勻多孔結(jié)構(gòu)的黃金標準，但固定的打印參數(shù)和恒定的纖維直徑限制了其設(shè)計制造復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)。為突破傳統(tǒng)3D打印策略的限制，研究團隊基于體積守恒定律，通過定制運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)各處纖維直徑的精準控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如圖1c,d）。

圖1. 傳統(tǒng)3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。

FDA-3DP策略的關(guān)鍵參數(shù)為打印速度V和打印高度H。打印速度控制打印軌跡上所沉積纖維的直徑，打印高度控制沉積纖維的質(zhì)量和線性度（如圖2）。打印速度過慢會造成墨水堆積嚴重，打印高度過高將發(fā)生卷繩效應(yīng)。

圖2. FDA-3DP新策略的關(guān)鍵參數(shù)。

為了證明該策略的有效性，研究團隊在10mm尺寸的立方體內(nèi)設(shè)計制造了水平梯度多孔結(jié)構(gòu)（如圖3）。通過將打印軌跡與目標梯度相融合實現(xiàn)可控直徑纖維的單層定制，并為了避免潛在的局部塌陷，提出固定直徑纖維補償機制（如圖3f-i）。進而搭建“設(shè)計-制造”工作流程，重寫制造代碼G-codes，實現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的擠出3D打印制造。Micro-CT重建數(shù)據(jù)證明通過該策略制造的水平梯度多孔結(jié)構(gòu)與設(shè)計梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如圖1d-iv）。

圖3. 通過FDA-3DP新策略設(shè)計和制造水平梯度多孔結(jié)構(gòu)。

進一步，為了展示FDA-3DP策略的普適應(yīng)，他們設(shè)計制造了軸向和包括點、線、面、體的徑向梯度多孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4. 設(shè)計、制造和評估軸向和徑向梯度多孔結(jié)構(gòu)。

為了探索展示FDA-3DP新策略的更深應(yīng)用，他們設(shè)計制造了內(nèi)嵌HIT字母（哈爾濱工業(yè)大學的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示HIT字母分別完成了在長方體內(nèi)部的完全貫穿、居中隱藏和居中隱藏并逆時針旋轉(zhuǎn)45°分布（如圖5a）。此外，還在立方體內(nèi)鑲嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超結(jié)構(gòu)領(lǐng)域定制局部力學性能的潛在應(yīng)用（如圖5b-d）。

圖5. 高度可調(diào)孔尺寸的梯度結(jié)構(gòu)（內(nèi)嵌HIT字母和V字母）。

他們提出的FDA-3DP新策略突破了傳統(tǒng)擠出3D打印技術(shù)難以加工復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)的難題，探索了其在組織工程與仿生器官制造（如骨、軟骨、血管）、4D打印等領(lǐng)域的應(yīng)用可行性（如圖6）。

圖6. FDA-3DP新策略應(yīng)用探索。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院阮長順研究員和哈爾濱工業(yè)大學韓振宇教授為論文通訊作者，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院屈華偉博士后/助理研究員為論文第一作者。該研究獲得國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目及面上項目、中國科學院青年創(chuàng)新委員會優(yōu)秀會員、中國博士后第73批面上項目等多個基金資助。

課題組長期招聘博士后、研究助理等崗位，高分子材料、生物醫(yī)學工程等背景優(yōu)先。有意者請將個人簡歷（pdf）發(fā)送至阮長順研究員郵箱cs.ruan@siat.ac.cn，郵件標題請注明“意向崗位+姓名+畢業(yè)學校”。歡迎有志之士加入。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y

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（責任編輯：xu）

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