3D打印复杂的水凝胶结构成为可能

图片显示了3D打印材料的开放晶格模型，材料的不同颜色表明了不同的强度及灵敏度。

　　研究人员已探究出一种新方式来制造粗糙但柔软，且湿润的水凝胶，并将它制成复杂又精致的图案形状。研究人员表示，这一过程有助于生产能够帮助药物或细胞进入体内的可注射材料、再生承载组织支架以及坚固且灵敏的机器人。

　　这一研究发表在Advanced Materials的一篇论文中，作者包括麻省理工学院机械工程系副教授Xuanhe Zhao及其在麻省理工学院、杜克大学和哥伦比亚大学的同事。

　　Zhao表示，新工艺可以产生复杂的水凝胶结构，该结构十分牢固，能与细胞封装结构相兼容。这将使打印三维复杂的水凝胶结构成为可能。例如：埋植剂与细胞和药物融合，然后被植于体内。

　　水凝胶，由水分子构成，包裹在橡胶聚合物网络中，具有特定的形状和结构，类似于软骨等自然组织，这些自然组织在身体里被看成一个自然的减震器。新的3D打印过程有利于生产坚固的人工水凝胶结构，这些结构可以修理或更换软骨等承载组织。

　　Zhao在麻省理工学院土木与环境工程系达成一个联合协议，他说：新材料是良性的，能使类似干细胞等活细胞合成在一起，提高细胞的生存能力。

上图，是水凝胶材料在不同尺度下的结构，一直细化到分子模式。下图表明，这种方法使材料3 D打印变得非常灵活，它可以在压缩后恢复原状。

　　此外，Zhao 指出，之前的工作并不能产生具有坚固水凝胶的复杂三维结构。新型生物相容性坚固水凝胶可以被打印成不同的3 D结构，如：空心立方体，半球，金字塔，交叉曲线，多层网状，以及与生理相关的形状，如：人类的鼻子或耳朵。

　　Zhao 表示，新方法采用商用3 D打印机制：这一创新的确与材料有关，这是一种新型三维打印墨水，专为生物相容性坚固水凝胶设计。具体来说，这是两种不同生物聚合物的合成，他说：单独的一种材料容易受损，但是合成在一起，就像钢筋混凝土一样坚固。

　　其中一种聚合物为印刷材料提供弹性，另外一种聚合物能让材料在变形时消散能量而不至于被破坏。第三种成分，生物相容的纳米黏土，用于调整材料的粘度，提高3 D打印喷嘴对流量的控制力。

　　该论文的第一作者，Zhao副教授研究小组的博士后Sungmin Hong说：制作材料十分灵活，以至于打印出来的形状，例如：金字塔，被压缩至99%后，还能恢复原来的形状。还能延伸到其原始大小的5倍。这样的韧性是自然身体组织的一个关键特性，因为这些组织通常需要承受各种各样的力量和影响。

　　Zhao表示，这些材料最终可能会被制成客户需要的形状，用来替换耳朵、鼻子或负重关节中的软骨组织。实验研究表明，这种材料甚至比自然软骨组织更牢固。

　　下一步研究将针对提高打印机的分辨率，目前从动物模型测试来看，打印水凝胶结构的分辨率只有500微米。Zhao说：我们正在提高分辨率，争取打印出更精确的应用结构。

　　除了生物医学应用，同样的技术可以应用于打印各种柔软但耐用的结构材料，例如：柔软的机器人制动器。