GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究丨JME文章推荐

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甲基丙烯酸酐明胶（Methacrylated Gelatin，GelMA）在生物3D打印领域应用广泛，然而利用挤出打印完成GelMA的三维结构成型仍面临挑战。 因此，西安交通大学科研团队新提出一种基于GelMA复合材料，保证GelMA复合凝胶在优化的工艺参数下可稳定成型并具有良好的性能。

针对以上问题，西安交通大学的研究人员顾恒、连芩、王慧超、李涤尘、靳国瑞、崔滨在《机械工程学报》2020年第1期发表了《GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究》一文。

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引用本文

顾恒, 连芩, 王慧超, 李涤尘, 靳国瑞, 崔滨. GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(1): 196-204. 

GU Heng, LIAN Qin, WANG Huichao, LI Dichen, JIN Guorui, CUI Bin. Extrusion 3D Printing Processes and Performance Evaluation of GelMA Composite Hydrogel[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(1): 196-204.

论文摘要

甲基丙烯酸酐明胶（Methacrylated gelatin，GelMA）是具有光敏官能团的改性明胶，有良好的生物相容性，广泛用于构建皮肤、神经等软组织支架。然而，光照交联单一成分的GelMA，其力学性能和结构维持性较差，难以通过挤出3D打印成形生物支架。提出一种适用于挤出式打印且力学性能增强的GelMA复合凝胶，其主要成分为GelMA、明胶和海藻酸钠。黏度测试试验筛选出适合挤出3D打印的复合材料配比，3D打印工艺试验研究和分析了打印气压、喷头移动速度、喷头高度、光照条件对挤出连续性和微丝直径的影响。当喷头内径为200 μm时，GelMA复合凝胶实现顺畅出丝（φ293～1 211 μm）的条件为气压在0.05～0.25 MPa，打印速度为1～15 mm/s，喷头高度为200～600 μm，光照强度为70～272.56 mW/cm²。拉伸试验表明光照交联后，复合凝胶较之同浓度GelMA（5%，w/v）的弹性模量提高近1倍，伸长率保持一致。细胞培养试验显示GelMA复合凝胶具有良好的生物相容性，包埋在其内部的人真皮成纤维细胞培养至第7天时存活率达85%。

试验方法

在复合材料制备时，本研究通过对挤出过程和微丝的外观形貌观察，结合不同成分的材料的粘度测试和流变实验结果，确定了适合挤出打印的材料配比范围并选定了一组固定的材料配比；在打印工艺参数优化时，本研究采用控制变量法，分别探究了挤出气压、喷头移动速度、打印喷头高度、光照条件等单因素对挤出微丝尺寸的影响，筛选出适合打印的工艺参数组合。随后进行多层结构打印，显微镜下观察到各层连接紧密，分层界面清晰，证明GelMA复合凝胶在此工艺条件下成形能力和形状维持性良好。

在力学性能测试中，分别利用3d打印和模具制造了拉伸试样，对比了不同交联条件下的拉伸强度，证明其力学性能可通过不同后处理方法进行调节；在生物学相容性测试中，培养载细胞复合凝胶支架并对其死活细胞数目进行统计，验证其良好的上午相容性。

试验结果

粘度测试和流变试验显示环境温度为22℃，复合凝胶的配比为5%GelMA、3%明胶、4%海藻酸钠（w/v）时，该复合凝胶的粘度为5800cps，其储存模量比损耗模量高600Pa，复合凝胶可以顺畅地从喷头挤出，微丝直径均匀。

工艺试验显示，当喷头内径为200μm时，GelMA复合凝胶实现顺畅出丝(φ293μm ~1211μm)的条件为气压在0.05 MPa ~0.25MPa，打印速度为1 mm/s ~15mm/s，喷头高度为200μm ~ 600μm，光照强度为70 mw/cm²~272.56 mw/cm²。拉伸试验表明光照交联后，复合凝胶较之同浓度GelMA（5%，w/v）的弹性模量提高近1倍，伸长率保持一致。细胞培养实验显示GelMA复合凝胶具有良好的生物相容性，包埋在其内部的人真皮成纤维细胞至第7天时存活率达85%。

重要结论

本研究制备的基于GelMA复合凝胶具有良好的挤出打印性能，在特定的工艺参数下课保证顺畅挤出微丝并稳定成型；交联后其内部具有分布规则、疏松的薄壁多孔结构，载细胞打印试验表明细胞在其内部生长状态良好。

前景与应用

有望利用该复合凝胶材料和配套的打印工艺参数进行多种细胞的生物3D打印试验，在体外构建仿生的组织、器官或者将含细胞的支架移植体内进行组织工程化研究。

相关文章/图书推荐

[1]Kang H W , Lee S J , Ko I K , et al. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity[J]. Nature Biotechnology, 2016.

[2]Cubo N , Garcia M , Del Cañizo JF, et al. 3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis[J]. Biofabrication, 2017, 9(11):2843-2854.

[3]Costantini M , Testa S , Mozetic P , et al. Microfluidic-enhanced 3D bioprinting of aligned myoblast-laden hydrogels leads to functionally organized myofibers, in vitro and in vivo[J]. Biomaterials, 2017, 131:98-110.

[4]Datta P , Ayan B , Ozbolat I T . Bioprinting for vascular and vascularized tissue biofabrication[J]. Acta Biomaterialia, 2017, 51:1-20.

主创简介

连芩，博士，副教授，博士生导师，研究方向为增材制造及高性能复合材料的应用研究。

2006年毕业于西安交通大学机械工程学院，随后在中国博士后科学基金与特别基金支持下进入西安交通大学生命学院开展博士后工作。2008年进入西安交通大学机械工程学院任教，同年晋升副研究员。2009年聘为硕士生导师。2010年获中国国家留学基金和英国RAE

基金支持进入英国Leed大学开展访问学者（博士后）工作。2014年聘为博士生导师。2012年获教育部技术发明奖1项，2014年获国家技术发明二等奖1项，2017年获陕西高等学校科学技术奖一等奖1项。目前为中国机械制造工艺协会理事、中国机械工程学会高级会员、国际仿生工程协会会员、陕西省生物医学工程学会会员。主持与参与了10余项国家自然科学基金、国家863计划、军委科技委等项目。在《中国科学》、《机械工程学报》、《Biofabrication》、《Journal of Bionic Engineering》等期刊已发表论文30余篇，获得授权专利20余项。

顾恒，男，1995年生，在读硕士研究生，2017年9月进入西安交通大学攻读硕士研究生学位。主要研究方向为生物3D打印设备与工艺研究。

实验室在研项目和获得的研究成果

1.国家自然科学基金项目，51835010，软组织-PEEK-骨共生的植入物设计制造及其功能研究，2019/01-至今。

2.科学技术项目，18-163-13-ZT-003-011-01，XX原位打印技术，2018/10-2019/10。

3.国家高技术研究发展计划（863计划）项目，2015AA020303，面向快速修复及组织器官移植应用的系列生物3D打印技术和装置的开发，2016/01-2018/12。

本课课题组自主研发了基于机械臂的扫描/打印复合生物3D打印系统和微挤出式多喷头生物3D打印系统；开发了包括明胶、海藻酸钠、普朗尼克、GelMA等多种生物材料及配套打印工艺，可实现多细胞多材料的打印，保证高细胞活性。其实物图分别如图1、图2所示。

图1  生物3D打印样机

图2  挤出成型的多种图形

编辑：金程  编校：张彤

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