用于3D异质结构的同步多材料嵌入式打印

由流体动力与机电系统国家重点实验室的研究人员领导的团队发表在《国际极限制造杂志》上，他们使用多个单独控制的喷嘴同时准确地将不同的生物材料沉积到嵌入介质的屈服区域。

与传统的顺序打印方法相比，所开发的打印方法可以控制生物墨水的准确沉积，确保位置保真度和结构形态，提高层间结合强度。该发现可能提供广泛用于制造软生物材料和软复合材料的异质结构的潜力。

主要研究人员之一周宏兆副教授评论说：“多材料生物打印技术为异质结构的体外构建提供了不同的细胞和生物材料选择，这些结构可能更好地代表天然组织/器官。嵌入式打印技术为将各种材料打印成复杂的三维结构提供了更多可能性。”

然而，嵌入介质的粘度大于空气，这会更显着地影响挤出生物墨水的连续位置。生物墨水沉积在包埋介质中，几乎就地保存。相邻细丝之间无法保证粘附。由于用多种材料构建体外组织的潜力，控制墨水在包埋介质中的精确沉积以构建异质组织是非常重要的。

在传统的嵌入式打印中，一种简单且常用的策略是将相邻的灯丝设计成空间重叠，以确保它们可以相互连接。

“在使用单一材料打印连续结构时，重叠方法已被证明是有效的。对于具有多种材料的复杂结构，细丝的重叠可能会导致相邻细丝的不受控制的堆叠和挤压，并危及打印结构中不同材料的空间分布，”第一作者高子奇博士说。

“在我们的工作中，我们分析了嵌入介质中挤出生物墨水的动力学。我们将荧光微球均匀地混合到墨水中以确定打印细丝的轮廓，并在不同打印参数的包埋介质中同时打印细丝。我们可以将实验现象与理论分析中关键参数变化的结果进行对比验证。这种新颖的打印方法可以在广泛的打印参数下实现细线之间的水平连接。”

共同第一作者尹军教授补充道，“通过上述实验方法，定量评估了印刷速度、包埋介质流变学等印刷参数对印刷丝材3D形貌的影响。在高打印速度和低粘度包埋介质的条件下，同时打印的细丝表现出高精度和接近1的纵横比，可以适应切片轨迹，使我们能够制造微结构。”

“打印出每层小于200μm 的双层薄壁结构。证明可以打印肠道和肝脏模型。肠道显示出类似于真实器官的圆形折叠形状的结构。两种组织都可以交联并从包埋介质中提取，而不会出现明显的损伤或分层。”

“此外，还进行了剥离测试以研究同时打印的样品之间的结合强度，并将结果与​​铸造和连续打印的样品进行了比较。我们发现，在相同轨迹下，同时打印的样品的结合强度明显高于顺序打印的样品。所提出的同时打印方法最大限度地减少了多层和多材料结构 3D 打印的嵌入介质污染的机会。它可以直接解决目前此类结构的结构完整性问题。”

该团队研究了一种多材料嵌入打印方法，有望制造出精度高、结构完整性好的异质结构。对于软生物材料和软复合材料，该方法有可能用于体外组织模型的构建。

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