活性3D打印强韧水凝胶, 精细设计人工器官成为可能



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水凝胶是一种保持大量水分而又不溶解的交联聚合物。 这类材料柔软、湿润并且具备很强的生物相容性。在组织再生、医疗器械、柔性机器人和可控药物释放等领域，水凝胶已经或有希望带来革命性的创新。然而，传统人工合成的水凝胶在自然条件下通常比较脆弱，并且很难制造出精细的三维复杂形状。近日，麻省理工学院机械工程系赵选贺以及杜克大学和哥伦比亚大学的合作团队开发了一种基于3D打印来制造强韧水凝胶三维复杂微结构的新方法。今天，知社带您了解最新的进展。

近日，麻省理工学院机械工程系副教授赵选贺团队开发了一种制造强韧水凝胶精细结构的新方法。通过这种方法，麻省理工团队可以把超韧水凝胶打印成各种三维复杂形状和微结构，并且能把各种人体细胞封装在水凝胶中。由于3D打印的水凝胶力学性能十分强韧，而且具有生物活性；这种新方法为再生软骨、关节、颈椎间盘、肌腱等承力的人体组织提供了一个定量精细设计的新方向。用这种新方法也可能制造出有生命活性的柔软机器以及软体机器人。

传统的人工合成水凝胶在自然条件下通常比较脆弱，比如果冻、明胶等，用手轻轻一碰，就很容易碎裂。在过去的 十多年，科学家们采用了很多不同的方法以提高水凝胶的力学性能， 比如添加增韧颗粒、设计双网络水凝胶以及引入增强纤维等等。这些设计方法的基本原理是通过不同机理在不同尺度上提高水凝胶的韧性、强度和拉伸性能。赵选贺教授团队研制了一种新的“双网络纳米粘土水凝胶”作为3D打印的油墨。组成这种3D打印油墨的一种高分子网络能够提供超强的弹性，而另一种高分子则可以及时消耗能量。虽然每个高分子网络在单独存在时十分脆弱，但一旦互相结合，就会变得十分坚韧和结实，不会像传统的合成水凝胶那样容易断裂。两种高分子网络中还被加入了具有生物相容性的纳米粘土，这种纳米粘土可以有效控制水凝胶的粘性，使得研究人员能够精确控制3D打印机喷头的流速，进而有效控制3D打印水凝胶的结构和精度。

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这种强韧水凝胶可以被3D打印成鼻子、耳朵、关节、空心立方体、金字塔、半球以及扭曲的纤维束等多种三维复杂形状。此外，打印后的结构还具有超强的弹性和拉伸性能。如视频所示，一个3D打印的金字塔结构可以被压缩95%的厚度，不过一旦卸载，还能迅速而轻易地恢复成原来的形状；而3D打印的多层网格，可以被反复拉伸至原长的5倍。

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除此以外，这种3D打印的水凝胶可以封装多种人体细胞，并保持细胞的活性。这些优越的综合性能表明这种超级水凝胶最终很有可能取代人体组织，例如关节、软骨、耳朵和鼻子等。3D打印强韧水凝胶技术也为人造组织再生提供了可能。哈佛大学生物工程学教授David Mooney评价到：“这项技术真正意义上推动了韧性水凝胶的实际应用。这个工作也证明了，用常用的生医聚合材料也可以合成力学性能相仿的超级水凝胶，这也是重要突破。

这项研究成果于6月发表在《Advanced Materials》上(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201501099/pdf)，点击阅读原文可以获取。目前赵选贺团队在进一步改进3D打印水凝胶的精度，并且融合多种功能性材料，以进一步开发3D打印智能活性软材料在力、电、磁、光耦合下的多功能用途。期待在不久的将来，3D打印水凝胶在生物、医疗、机械等多领域发挥日益广泛的作用。

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